開普勒望遠鏡：從難產到新生

2018年10月30日，美國宇航局（以下簡稱NASA）宣布，預計工作壽命為3.5年的開普勒空間望遠鏡因燃料耗盡，在超期服役直至工作了9年7個月零23天后，徹底退役，停止了所有在軌科學探索活動。

從此，開普勒空間望遠鏡在發現了2662顆系外行星之后，帶著滿滿的收獲和無盡的好奇心，溫和地走入了那個良夜。

▲ 開普勒空間望遠鏡

立項與制造

開普勒空間望遠鏡是人類首個專門設計用來在茫茫宇宙搜尋類地系外行星的空間探測器。其質量為1.0524噸，長4.7米，最大直徑2.7米。該望遠鏡是由鮑爾航天集團作為主承包商研制的，在2008年具備交付狀態。

鮑爾航天集團，是全球第88大軍火集團。美國陸軍的單兵50瓦和單兵100瓦戰術電源系統就是該集團研制的。F-35戰斗機的共形天線，也是鮑爾航天的產品。貝爾公司大名鼎鼎的OH-58D奇奧瓦武裝偵察直升機的觀測/瞄準系統，也是出自鮑爾航天之手。而屢屢用超高清的對地觀測照片引起我們對現代太空技術的贊嘆的數字地球公司，實際上是由鮑爾航天、柯達（嗯，就是那個在我們童年時代成為相機和相紙代名詞的柯達）還有福克空間這三大集團強強聯合誕生的高科技企業。

不過，整個開普勒項目的立項過程卻是很曲折的。這一切，小火箭覺得需要從博魯茨基這位工程師開始談起。

博魯茨基就是在阿波羅時代研究飛船防熱系統的工程師。阿波羅計劃完成，留下一代傳奇。迄今為止，人類留在月球上的物品足足有170噸之多，而人類從月球取回的月壤和月球巖石則有382千克。

而阿波羅計劃留給人類的寶貴瞬間，除了阿姆斯特朗踏上那個腳印的時刻之外，還有阿波羅17號的那次回眸。

這張照片如今成為了地球上一家叫做騰訊的企業的一款名為微信的應用程序的登陸畫面，似乎在呼喚著人類早日重返月球。

從外太空拍攝的地球的照片，喚醒了很多人的夢想。這其中，就有博魯茨基。博魯茨基在阿波羅計劃中，表現出色，獲得了阿波羅任務成就獎。

隨后，在1970年，已經31歲的博魯茨基并未像大多數工程師那樣，憑借年輕時代參與大工程的經歷而去混資歷，轉行政，而是一頭扎入了他熱愛的行星探索事業。既然地球這顆行星這么美，那么太陽系內甚至太陽系外的行星，是不是也非常漂亮呢？

▲ 德爾塔2火箭送開普勒望遠鏡升空

到1987年，博魯茨基已經48歲了。按理說，應該是著手準備為退休生活培養一些愛好，去辦理釣魚協會或者房車協會的會員卡的時候了，但是，他在自己的辦公室里冒出這樣一句話：“我們對太陽系外面的行星，簡直是一無所知！”

這下子可不得了。他的一席話，引起了同事間的大范圍討論。討論的話題集中在兩個方面：

第一，到底有沒有大量的系外行星？或者說，類似太陽系的這種一組行星小兄弟圍繞一顆恒星轉動的系統，在宇宙中是否是常見的？

第二，就算系外行星是存在的，甚至是大量存在的，那么靠什么方法來發現呢？

博魯茨基沒有和大家多說，直接就提出了解決方案。他把這個方案的意向報給了NASA的預研部門。

方案還是比較有趣的：用一個空間探測器，凝視數千顆恒星。如果其中有的恒星有它自己的行星系統的話，行星繞到恒星前面（類似金星凌日）的時候，恒星的一部分光就會被擋住，這樣恒星的亮度就會出現周期性地變暗。

NASA一開始還是感興趣的。于是，博魯茨基得以有機會陳述他的技術基礎：他早些年研究過行星的閃電，擁有用光度計來判斷星球情況的工程經驗。

但是，很多同行還是不能理解他的方案，并且認為，就算理論上可以，工程上也不可行。

博魯茨基急了，說道：“我早在1967年就已經有閃電和光度計的相關工程經驗了，是可行的！”

在眾人表示有些懵的時候，老爺子拿出了他的阿波羅獎章，并且講述了往事。

在上世紀60年代，還沒有超高速的高清攝影設備。而博魯茨基是研究阿波羅飛船的防熱系統的工程師，他迫切地想知道在高超聲速飛行狀態下，飛船防熱大底的激波是什么樣子的。

當他申請經費，要求專門為研究飛船防熱系統的激波建造高超聲速風洞的時候，一個明確的拒絕回應立刻就回絕了他。原因比較簡單，當時美國根本沒有建設高超聲速風洞的技術條件（實際上，直到今天，真正掌握這門技術的國家也只有美國和中國）。

▲ 開普勒望遠鏡的傳感器

▲ 開普勒望遠鏡的傳感器陣列

怎么辦？博魯茨基有辦法。這也是為什么他后來被人稱作炮彈工程師的原因。博魯茨基想到，戰列艦巨大的16英寸（406毫米）艦炮能夠在瞬間賦予1.225噸重的炮彈762米/秒（馬赫數2.2418）的速度，這巨大的出口動能能夠讓1噸多重的炮彈飛行38公里遠。這是當時他能夠想到的除核武器之外，爆發力最強的試驗設備了。

當時是20世紀60年代，距離二戰結束還沒有太久，有大量的二戰艦只甚至還來不及拆解。博魯茨基通過他在海軍的關系，搞到了兩門巨大的艦炮。在他精通空氣動力學的好友的幫助下，其中一門艦炮加裝了超聲速噴嘴，當發射藥被點燃，炮聲響起的時候，這門炮能夠以15倍聲速的速度瞬間拋出136千克的空氣。另一門艦炮則緊接著開炮，這門炮并不發射空氣，而是發射一枚特殊的炮彈。兩門炮是頭對著頭，炮口瞄著炮口的。第二門炮發射的炮彈的頭部，就是阿波羅飛船防熱大底的氣動外形。

這枚炮彈以相對于地面3倍的聲速撕裂迎面而來的快速氣流，這樣就構建了一個阿波羅飛船模型的18倍聲速空氣動力學實驗條件（炮彈3倍聲速+迎面氣流的15倍聲速）。

博魯茨基在兩門大炮的炮口之間，布置了大量光度計。當阿波羅飛船模型快速飛過的時候，伴隨著巨響，會有一系列斜激波出現。這些斜激波會改變當地空氣的密度，從而使得其透光率發生變化。

就是這樣，依靠光度計的測量數值，博魯茨基間接地了解了高超聲速飛行的斜激波的情況。

遭拒

博魯茨基的光度計的方法，用于探測系外行星，理論上是可行的。

當行星轉到恒星前面時，恒星的一部分光線就會被擋住，光度計就能夠測到一個光度變弱并再次恢復常值的現象。

1992年，博魯茨基帶領團隊，興沖沖地正式向NASA提出了項目申請，想要用這種方法來搜尋系外行星。然而，等來的是拒絕。原因比較直接：NASA太缺錢了，為了保證哈勃空間望遠鏡的項目能夠存活下來，其他所有空間望遠鏡的項目都被取消了。

奔向太空的NASA的預算比起努力稱霸全球的軍費預算來說，還是太少了。這個情況，其實至今也沒能得到改善。2019財年，NASA的總預算為199億美元，而美國軍費預算為7160億美元。軍費預算是NASA總預算的36 倍！

1990年4月24日，哈勃空間望遠鏡搭乘發現號航天飛機進入太空。但是隨即就發現，鏡片出了點狀況。在1992年，正是航天飛機項目和哈勃空間望遠鏡在軌維修項目的關鍵一年，博魯茨基團隊表示理解，愿意為“哈勃”讓路。

再拒

后來，哈勃空間望遠鏡的光學系統得到了非常成功的糾正和升級，已經能夠以較為良好的狀態工作了。

不過，哈勃空間望遠鏡是可見光望遠鏡，擅長直接對恒星發出的光進行觀測，而且其凝視觀測的范圍較小，對于本身不發光的系外行星和同時搜索大范圍天區的任務并不擅長。而這，正是博魯茨基的特長。

▲ 當行星轉到恒星前面時，恒星的一部分光線就會被擋住。光度計就能夠測到一個光度變弱并再次恢復常值的現象

1994年，自上次被拒后，苦等了2年的博魯茨基認為，機會來了。他第二次向NASA提交了申請。他給項目命名：FRESIP。這是“和地球大小相仿的星系內環行星概率探測”的縮寫。

然后，再次遭拒。

事后，大家分析原因，一致認為是這個名稱太難記了，評審委員會的那些家伙們可能連名字都想不起來，根本沒法提議來贊成。當然，很多人認為博魯茨基的想法過于科幻，也是部分原因。

三拒

名字，一定要有個好名字，這是博魯茨基團隊第二次被拒之后總結出來的經驗。于是，他們花了很大力氣，請到了炙手可熱的科學家、科普大師、科幻作家卡爾·薩根來給項目起名字。

作為行星聯合會創始人的卡爾·薩根對博魯茨基團隊非常支持。他一方面游說NASA拿出一些經費來支持行星探測，另一方面，開始冥思苦想，為項目起個好名字，以便替代那個沒人能記住的FRESIP項目。

卡爾·薩根想到了開普勒這個名字。

生于1571年的約翰-尼斯·開普勒是德國皇家數學家，同時也是華倫斯坦將軍的首席顧問。開普勒基于對天體運行的觀測和分析，得出了行星運動三大定律。

在開普勒的墓志銘上，銘刻著這樣的句子：

原文：

Mensus eram coelos，

nunc terrae metior umbras

Mens coelestis erat，

corporis umbra iacet.

曾去量天高，

今來測地深。

吾魂歸上蒼，

吾體眠此地。 （譯/小火箭 ）

開普勒對天體物理學和數學有著巨大的貢獻，同時他改進的天文望遠鏡也是與伽利略的那把望遠鏡可以相提并論的高性能天文觀測工具。

好名字！這個名字，一方面預示了項目是和行星探測有關，一方面則是紀念開普勒對行星運行理論和望遠鏡制造技術的貢獻。

但是，在1996年年底，博魯茨基興沖沖地向NASA報上項目的時候，又被拒了。

這一次，被拒的理由是：用于探測系外行星的CCD傳感器技術并不成熟。

四拒

從1987年提出構想，到1992年第一次提交申請被拒，再到1994年第二次提交申請被拒，然后到1996年第三次提交申請被拒，轉眼就到了1997年，整整十年過去了。

開普勒項目有了響亮的名稱，卻還未迎來錦繡的前程。

行星聯合會的創始人卡爾·薩根博士奮力向NASA推薦。他本人有著廣泛的民眾基礎，在他巨大的影響力下，NASA松口了：

如果博魯茨基團隊能夠在地球上造出一個能夠證明確實可以可靠工作的CCD傳感器系統的話，一切都有商量的余地。

機會難得！

博魯茨基向卡爾·薩根博士表示了衷心地感謝，然后就一頭扎進了地面原理樣機的研制工作中。

▲ 開普勒望遠鏡在廠房

1998年初，博魯茨基團隊的原理樣機研制成功！他們建造了一個系統，能夠同時對6000顆恒星進行觀測，同時具備初步判斷該恒星是否有行星環繞的可能性。可惜的是，該系統位于地球表面，難免會受到地球大氣活動的影響。

1998年，博魯茨基團隊正式向NASA遞交了第四次申請。

然而，還是被拒了。原因：雖然原理樣機在地面上能夠勉強工作，但是在太空中如果受到各種干擾，還能不能工作可就不知道了。

堅持

1998年，開普勒項目團隊到了非常艱難的時候。整個團隊租住在利克天文臺山頂舊址的小破屋里。這個帶有破洞的小圓頂，見證了人類在19世紀對天文學的癡迷，如今則正在見證人類天文學家在20世紀末的窘迫境地。

山頂沒有淋浴條件，整個團隊要冒著被蛇咬和被美洲獅撲殺的危險，穿過密林小路去山腳的鎮子上找個可以洗澡的地方。到2000年，他們終于又證明了開普勒系統對干擾的強大抵抗能力。整個系統設計完備，13年來，他們始終在堅持。

公元2000年1月，NASA給開普勒團隊發來一份郵件：你們贏了，來宇航局領錢。

其實，美國宇航局的大大小小的部門，在這個時候，已經悄悄資助了100萬美元給開普勒項目了。這些努力的堅持和悄悄支持，就像緩緩飄落的雪花，雖輕柔，但卻更能有沁潤靈魂的力量。

修成正果

6億美元，在2002年到賬，開普勒空間望遠鏡開始動工建造。

2008年，開普勒空間望遠鏡達到交付狀態，實際耗資6.92億美元（約47.69億元人民幣）。相較于1990年的哈勃空間望遠鏡項目21億美元的造價（另有后來的8億美元在軌維護費用），開普勒空間望遠鏡對于預算的控制是非常好的。

完工后的開普勒望遠鏡在位于佛羅里達州泰特斯維爾的有效載荷處理中心的超潔凈室中，準備進行初步測試。

開普勒空間望遠鏡計劃是美國宇航局正式立項的探索任務，是人類首個系外行星空間望遠鏡項目。它專門用于探測銀河系內的區域，努力去探尋太陽系之外、銀河系之內的可供人類居住的行星。

2009年2月21日，工程師們將開普勒空間望遠鏡放到了德爾塔-II運載火箭的載荷艙內。

而對開普勒項目有所了解的人知道，從1987年博魯茨基提出概念到此時，整整22年過去了！

博魯茨基老爺子，已經年入古稀。不知道他當時是否回想起了自己在48歲的時候，在辦公室里說出那句：人類對太陽系外的行星簡直一無所知。

這個情況，因為他長達22年的堅持，將會產生根本的改變。

進入發射協調的時候，已經多次推遲發射的開普勒項目，有些等不及了。2009年1月，美國空軍主動找到了開普勒團隊，告訴他們了一個好消息：原定于2009年3月初發射的美國空軍GPS導航衛星（GPS IIR-M-7 ）準備推遲到月底，讓開普勒空間望遠鏡先打。

原本大伙兒是非常高興的。當然，后來團隊知道了真實原因后，就有些哭笑不得了。原來，美國空軍認為德爾塔-II型火箭7925構型的第三級，可能有一些可靠性方面的問題。為了穩妥起見，他們讓同樣使用7925構型的開普勒空間望遠鏡先打，看看情況再說。

2009年3月7日，協調世界時03時49分57秒465毫秒，開普勒空間望遠鏡，從1987年到2009年，歷經22年，終于從設想迎來了發射升空的時刻。

開普勒空間望遠鏡，將會為我們揭開一個終極問題的答案提供關鍵線索。