開普勒：關于任務

“開普勒”任務是美國航空航天局第1 0號發現任務，是專門用來觀測在銀河系中恒星系統宜居帶或宜居帶附近發現的幾十個地球大小的行星，并分析在銀河系數十億個恒星系統中有多少這樣的行星。“開普勒”任務得到了美國航空航天局設在華盛頓的科學任務理事會的資助。艾姆斯研究中心負責執行“開普勒”使命、開發接地系統以及分析科學數據。美國航空航天局設在加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室負責“開普勒”的任務研發。位于科羅拉多州博爾德市的保爾航空航天科技公司開發了“開普勒”飛行系統，并協助科羅拉多大學大氣空間物理實驗室執行任務。巴爾的摩檔案館內的空間望遠鏡科學院負責保存和發布科學數據。

“開普勒”任務的目標是探討恒星系統的結構和多樣性。這要通過觀測大量恒星樣本來實現：

①確定位于恒星系統宜居帶及宜居帶附近的較大行星的豐度;

②確定這些行星的軌道大小和形狀;

③估算在多恒星系統中有多少這樣的行星;

④確定短周期巨星的反射率、大小、質量、密度和軌道大小;

⑤利用其他技術識別已發現的行星系統和它們的其他成員;

⑥確定其主恒星的屬性。

“開普勒”任務也有助于美國航空航天局的起源主題任務——太空干涉測量法和類地行星探測器，可通過識別主恒星的屬性進行未知行星搜索，定義搜尋需要的空間體積，通過識別已知系統來搜尋類地行星。

“開普勒”任務的主要設計思路是通過凌星法來探測系外行星。正如我們看到的，當行星在其主恒星前面橫穿而過時，會使觀測到的主恒星的光度變暗，這一過程被稱為凌。如果這種光度變暗是由行星引起的，它一定會呈現出周期性，因此就提供了一個可高度重復的信號和很好的檢測方法。

利用美國航空航天局開發的太空光度計，開普勒空間望遠鏡可以檢測到這種變化。一旦檢測到恒星周期性的光度變暗，便能根據周期的長短估算出行星的軌道大小，從凌的深度（恒星的亮度下降多少）和恒星的大小得出行星的大小，同時運用開普勒行星運動三定律估算行星的質量。行星的表面溫度可以通過恒星的軌道大小和溫度計算出來，而行星的溫度是判斷其是否適宜居住的關鍵。

行星軌道能否橫穿恒星前方，其概率與沿著視線方向的軌道的直徑及恒星的直徑有關，即軌道正好對齊的概率等于軌道的直徑除以恒星的直徑。對地球大小的行星來說，在1天文單位的距離上橫穿過太陽大小的恒星的概率約為0.5%。對在距離恒星4光天的軌道上發現的巨行星來說，這一概率可以達到1 0%。為了檢測到更多的類地行星，人們不能只觀測幾個或者幾百個凌星現象，需要觀測成千上萬個行星才可能發現幾個。在設計上，開普勒空間望遠鏡可以同時觀測超過1 0萬顆恒星，并且每3 0分鐘測量一次它們的亮度變化。因此，如果地球是罕見的，零或者近似于零的結果仍然是有意義的。如果地球大小的行星很常見，開普勒空間望遠鏡應該可以探測到好幾百顆。

考慮到我們的目標是在類似太陽的恒星的宜居帶找到類地行星， 凌星的周期大約為1年。由于光度減弱得非常少，因此開普勒空間望遠鏡必須至少連續3次觀察到行星凌星造成的光度變暗才能確定該行星。大行星凌星造成的信號比較容易被檢測出來，因此開普勒空間望遠鏡最先發現的應該是類似木星或者更大的行星。對較小的行星和距離更遠的行星來說，需要花更多的時間。為了確定觀測結果，通常需要3年或更長的時間。因此，開普勒空間望遠鏡必須穩定工作至少4年。如果開普勒空間望遠鏡穩定工作的時間超過4.5年，它就可能：

①通過觀測更多的凌星現象提高信噪比，檢測到更小的行星;

②在軌道上尋找公轉周期更長的行星;

③圍繞恒星尋找更難找的行星。

開普勒空間望遠鏡的直徑為0.9 5米，也可以被稱為光度計或測光表。這種大直徑的設計減少了光子計數統計的干擾，便于測量到類地行星凌星亮度的細小變化。“開普勒”的軌道也不在環繞地球的軌道上，而是在太陽軌道上尾隨著地球。因此，它不會被地球遮蔽，光度計也不會受到來自地球的漫射光線的影響，可以持續觀測。此外，這樣的軌道也避免了引力攝動和地球軌道的固有扭矩，可以提供更加穩定的觀測平臺。