開普勒望遠鏡“眼”中的廣袤宇宙

編譯 陸默

NASA發射了凌星系外行星巡天衛星TESS，科學家為此回顧了它的前身：向我們揭示復雜性無法想象的宇宙奧秘的“行星獵手”開普勒望遠鏡。

在一個個晴朗無云的夜晚，成千上萬微小的光點布滿了黑暗的天空。幾千年來，人們一直在仰望著繁星點點的神秘天空，想知道那里到底有些什么，或者說有些什么人。廣袤的太空中會有像我們地球一樣環繞太陽運行的世界嗎？宇宙中會有其他許多像我們一樣的生命世界嗎？我們在宇宙中是獨一無二的孤獨的生命存在嗎？

TESS發射計劃在稍作推遲后于2018年4月成功發射，這個新的“行星獵人”發射后，美國宇航局（NASA）將以新的探測結果來回答這些古老的問題。TESS——這顆凌星系外行星巡天衛星——將在接下來的兩年里觀察整個天空，掃描發現我們在太空中的鄰居——圍繞恒星運行的系外行星，尋找其他太陽系、類地行星和生命進化的可能線索。

TESS并不是第一個尋找地外行星的軌道望遠鏡，之前，美國宇航局的開普勒望遠鏡已經為人類睜眼看宇宙鋪平了道路。

自2009年首次發射以來，開普勒發現了超過2 600個地外行星，其中近3/4是已知的地外行星。大量的數據以及隱藏在其中的驚喜，徹底改變了我們對外星世界的看法，并讓科學家有可能回答一些關于我們在宇宙中位置的最古老最深刻的問題。

“開普勒為我們提供了一個真實的宇宙視景。”紐約康奈爾大學卡爾·薩根研究所所長麗莎·卡特尼格（Lisa Kaltenegger）說道，“大自然似乎在任何可能的地方都能誕生行星。” 卡特尼格是TESS科學小組的一員。

發現太陽系外行星是相對較新的天文學發現。盡管哲學家和科學家都曾一直假設它們的存在，但直到20世紀90年代，天文學家才發現并確認了第一個地外行星。在開普勒太空望遠鏡發射之前，人類已經通過地面望遠鏡探測發現了300多個地外行星，每一次發現都是一個值得慶賀的事件，每一次發現都產生了許多相關的科學論文。

但是，開普勒太空望遠鏡改變了這一切。

“我們幾乎已經不記得，在2009年開普勒望遠鏡發射之前，我們對宇宙的了解是多么少。”美國加州莫菲特場NASA艾姆斯研究中心的天體物理學家杰西·多森（Jessie Dotson）說道，多森是開普勒任務的科學家之一。

從地球上看宇宙，科學家發現的地外行星大部分都是有木星那么大的巨型行星，開普勒的數據證實了科學家們的猜測：太空中確實存在有像我們太陽系這樣的恒星系統，但還有一些與太陽系完全不同的恒星系統。

開普勒：尋找和發現系外行星

開普勒望遠鏡的設計任務是“行星獵手”。按照預先設定的計劃，開普勒望遠鏡將同時觀測成千上萬顆恒星，讓我們可以知道地外行星的存在究竟有多么普遍。要做到這一點，必須讓它在視景范圍內能夠容納盡可能多的恒星。開普勒望遠鏡的“目光”投向了我們銀河系內一片最遙遠的天空，收集那里恒星亮度的數據。

科學家利用“凌星法”對收集到的數據進行梳理。所謂凌星法是指，系外行星從我們觀察恒星的視線前方經過時，會遮擋住部分恒星發出的光線，恒星亮度會稍微變暗，“暗點”的出現表明在恒星和開普勒望遠鏡之間有一顆行星穿過，暫時擋住了一些光線。若有這樣的發現，開普勒望遠鏡將繼續對沿類地軌道運行的行星觀測至少3年，以排除其他可能的解釋。

尋找類地軌道運行的行星將發現有可能承載生命的行星。我們知道，所有生命的生存都需要液態水。地球與太陽的距離不太遠也不太近，使得它既不太熱，也不太冷，液態水在地球表面才能穩定地存在，地球與太陽的相對位置形成的一個環帶就是“適居帶”，也叫“宜居帶”。

開普勒計劃旨在確定我們的銀河系中是否有大量的系外行星，如今已經確定了這一點。科學家現在認為，行星的數量比恒星還多。“根據我們的推測，”馬薩諸塞州坎布里奇市麻省理工學院天體物理學家、TESS任務副科學主任薩拉·西格爾（Sara Seager）說道，“恒星誕生于一團團氣體和塵埃中，就像起居室里積起的灰塵團一樣，我們認為行星也是由這些材料形成的。”但是，多森博士指出，“推測某件事的可能性與確定其真實性之間是有很大區別的。”

在開普勒發現的大量行星中最普遍的也是我們所不熟悉的：體積介于地球和海王星之間的行星。有時這些行星被描述為“超級地球”或“迷你海王星”，這些行星在我們的太陽系中沒有直接的類比物。科學家發現，像我們這樣的太陽系并不是最常見的。大多數行星系統都是圍繞著暗淡的M型紅矮星運行的，而不是像我們圍繞的太陽這樣的黃色G型恒星。這些構成我們星系中近3/4的恒星，是TESS任務的主要觀測目標。

開普勒太空望遠鏡的一些發現顛覆了我們的想象。神秘的“迷你海王星”并不是開普勒發現的唯一怪異行星。科學家們已經在太空中找到了水世界、熱木星、熔巖世界，甚至還發現了環繞雙星系統的行星存在的證據，它們就像《星球大戰》中的虛構行星塔圖因一樣，圍繞著兩顆恒星運行。

“行星的多樣性令人驚訝，”卡特尼格教授說道，“如果我們在太陽系中只發現了類似于地球的行星，這當然很令人欣喜，但卻有點過于單調而無趣了。”

另一顆地外行星竟然是令人驚訝地環繞著一顆白矮星運行的，白矮星是極其古老接近死亡邊緣的恒星的余燼。仔細觀察這個恒星系統就會發現，這顆行星正在被撕裂開，并被漸漸拉近垂死的恒星，這是行星進化的結局之一的展現。

這一發現有可能給予天體生物學家以新的啟示，如何以及到哪里去尋找生命的跡象。“這一發現告訴我們，它們是已經在太空中存在了很久的星體，我們不應該只是考慮星體在太空中的位置，同時還要考慮它們在太空中存在的時間。”美國宇航局戈達德太空飛行中心天體物理學家埃莉莎·昆塔納（Elisa Quintana）說道。昆塔納在加入TESS任務之前，曾任開普勒任務團隊的科學家達10年之久。“也許每個恒星系統在一小段時間內都可能有生命存在。”她補充說道。

開普勒太空望遠鏡為天文學家提供了大量的數據以拼湊出行星進化的模型。但是，“就像大多數偉大的科學任務一樣，產生的問題比能夠回答的問題要多。”西格爾教授說道。

TESS任務：尋找宜居行星

與開普勒望遠鏡一樣，TESS計劃的主要任務是尋找行星，找到那些有可能為宇宙中生命起源提供答案的行星。這顆衛星將掃描幾乎整個天空，尋找離地球足夠近的行星（距地球300光年），有足夠亮度可作為未來太空探索任務目標的行星，如同NASA的詹姆斯韋伯太空望遠鏡的探索任務。

TESS的目標將主要集中于M型紅矮星（那些紅色的小星星，尤其是在銀河系角落里的紅矮星）上。正如開普勒望遠鏡視野中所展現的那樣，這些恒星周圍最有可能發現許多有液態水存在的類地行星，這為我們尋找外星生命又提出了許多新問題。“我要重新思考可居住性意味著什么，現在我們要問，有液態水存在是否足以適宜居住？”多森說道。

開普勒望遠鏡收集到的數據促使科學家們去進行發散性思考，而不只局限于我們所了解的模型：我們的星球和我們的太陽系。“我們有4顆類地行星、4顆巨型行星，還有一顆我們稱之為太陽的明亮恒星。”昆塔納博士說道。但開普勒望遠鏡的發現已證明我們的恒星系統絕不是宇宙中標準的恒星系統。“實際上最常見的宜居行星會不會是一顆環繞雙星運轉的行星呢？”我們可以想象，這些環繞雙星的行星上的人在太空中尋找其他有生命存在的行星時，他們會不會也有可能只會考慮這樣的雙星系統或多星系統。

通過開普勒望遠鏡、TESS計劃和其他任務在太空中的探索和發現，科學家們正在發現越來越多的系外行星，供未來的科學家研究和建立模型。

開普勒任務為TESS和其他未來的任務奠定了基礎，“開普勒為我們鋪平了道路。”或者說走出了一條路，卡特尼格說道。1992年，當首席研究員威廉·伯魯基（William Borucki）首次提出這個計劃時，開普勒任務被認為是一個靠不住的有太大風險的任務，伯魯基經過多次不懈的努力后該計劃才獲得了批準。

然后，經過了4年的太空掃描觀察和許多地外行星的發現，2013年5月，由于機械故障，主任務突然中斷。維持太空望遠鏡定向的4個反作用輪中有兩個斷裂，導致開普勒失去了作為行星獵手的作用。但是科學家們還沒有做好與開普勒望遠鏡最后告別的準備。

科學界很快發現，他們可以利用太陽輻射的壓力穩定望遠鏡，使其視野沿著地球軌道的平面繼續觀察新一片天空區域達83天左右。2014年，美國宇航局批準了第2個名為K2的開普勒任務，并再次開始了源源不斷的地外行星的新發現。

如今，開普勒太空望遠鏡即將完成它的歷史使命：預計在未來幾個月內它的燃料將會耗盡。但這并不意味著對開普勒新發現地外行星的探索任務的終結。對開普勒和K2任務的數據進行篩選可能需要大約10年時間，這一過程將會帶來更多系外行星的發現。

在兩次開普勒任務期間，開普勒太空望遠鏡所做的不僅僅是積累了大量的科學數據，這些數據同時也改變了我們對宇宙以及對我們在宇宙中位置的認識。