使命：尋找地球的“兄弟”

▲ 開普勒空間望遠鏡候選觀測范圍

▲ 開普勒望遠鏡的觀測區域示意圖

開普勒空間望遠鏡的首要目標，是發現太陽系外的類似地球的行星。它也是人類第一個能夠探測到太陽系以外遙遠地方類似地球大小的系外行星的任務。它使用名為過渡法的技術來進行探測。這是一種光度測量技術，可測量行星在其主星前方經過時的星光的微弱變暗情況。

觀測的區域

發射升空后，開普勒空間望遠鏡沿著一個螺旋的軌道，緩緩遠離地球。

在其主要任務的前四年，開普勒空間望遠鏡觀測位于天鵝座的一片星空。“開普勒”數據發布的新結果對于了解銀河系中不同類型行星的軌道以及行星形成的方式具有重要意義。自2014年以來，開普勒空間望遠鏡一直在利用其延長的第二次任務來收集數據，觀測銀河系的黃道平面。

開普勒空間望遠鏡的主要觀測區域，位于銀河系第一道曙光的區域，在天鵝座和天琴座之間，靠近織女星。整個觀測區域覆蓋整整100平方度的天球，相當于兩個北斗七星并排起來的范圍。在這個區域內，有450萬顆恒星能夠被確認觀測到。開普勒望遠鏡選擇了其中15萬顆為重點觀測對象。在持續3年半的時間里，它一直凝視著這些恒星，以便捕捉其亮度變化的情況。經過算法處理后的圖像，帶上了顏色編碼，給較亮的恒星賦予白色，較暗的恒星則賦予了紅色。

▲ 幾顆“開普勒”明星與太陽系的自然天體的對比

為了能夠發現像地球這樣小的行星（個頭兒雖小，但確實不可替代），開普勒望遠鏡故意讓畫面顯得有些模糊不清。這樣可以最大限度地減少因少數幾顆特別明亮的恒星迫使傳感器飽和的情況出現。因為一旦飽和，就會錯過很多不太明亮但卻擁有極佳宜居環境的恒星系統。

開普勒空間望遠鏡的42塊電荷耦合器件CCD傳感器拼接后，形成了擁有9500萬像素的望遠鏡的眼睛。通常來說，人類眼睛中有650萬個視錐細胞，1.2億個視桿細胞。因此，開普勒空間望遠鏡從這個角度上來看，已經比較接近人眼了。

開普勒望遠鏡的視場中，其四個角是黑色的，這四塊區域并不用來感受遙遠恒星的光度變化，而是用來測量恒星的位置并與開普勒望遠鏡姿態控制系統內的星圖進行比對。每100毫秒，這樣的比對工作就進行一次，以此來確保開普勒望遠鏡在太空中不會迷失方向，能夠穩穩地凝視指定的星空區域。

卓著的成果

開普勒空間望遠鏡可謂成果卓著。

在開普勒望遠鏡之前，人類只能猜測有系外行星的存在。而在今天，借助開普勒望遠鏡的觀測結果，人類已經確定：在銀河系內，在太陽系外，有2662顆系外行星存在。這是對530506顆恒星進行多年的觀測所取得的成果。這些系外行星，有的和地球的大小差不多，有的體積是地球的10倍，而有的則是比木星還要巨大的巨行星。

行星的命名

發現了那么多系外行星，那么是怎樣給它們命名的呢？

人類目前還來不及為一下子發現的這么多系外行星起文雅的名字。凡是開普勒空間望遠鏡發現的，都冠上“開普勒”這個名字，然后標注表示編號的阿拉伯數字。

▲ 多種多樣的恒星與行星的關系

比如，開普勒-11星系。這個星系有6顆行星圍繞一顆和咱們的太陽非常相像的恒星運行。這些行星，按確認發現的先后順序，被命名為開普勒-11b、開普勒-11c、開普勒-11d、開普勒-11e、開普勒-11f、開普勒-11g。

也就是說，在阿拉伯數字后面跟的小寫字母，就代表這個星系中的某顆行星。這個字母，從b開始，因為a本身默認留給了這個星系核心的恒星。

明星的誕生

開普勒-69星系是一個雙行星系統，開普勒-69b和開普勒-69c兩顆行星繞著他們的恒星旋轉。這個星系距離地球約2700光年，位于天鵝座。開普勒-69的恒星和太陽屬于同一類，都是G型恒星。

開普勒-69c比地球大70%，是在類太陽恒星的可居住區域內已知的公轉軌道最小的系外行星。科學家目前還不確定開普勒-69c的大氣成分，但是基本上已經確定其表面平均溫度為275℃。因此，與其把開普勒-69c稱作超級地球，不如把它叫做超級金星。

這顆每242個地球日就圍繞其恒星公轉一周的行星，就像金星一樣，有著熾熱的大氣。

▲ 開普勒-69c，超級金星

▲ 開普勒-22b

“開普勒”在開始進行科學觀測幾個月后，宣布發現了五個系外行星，分別名為開普勒-4b，5b，6b，7b和8b。這些系外行星之所以這么快就被發現，主要是因為她們個頭兒都很大。這些系外行星全部比海王星要大，有的甚至比木星還要大。這些行星僅需3.3天到4.9天就能夠繞它們的恒星公轉一周。這表明它們離恒星太近了，而且這些恒星都比太陽要熱得多。想象一下，當木星比水星更靠近太陽的時候，會發生什么！這些星球的表面溫度在3000℃以上。

開普勒-62e星，比地球大60%，圍繞著一顆比太陽更小的恒星運行，距離地球1200光年。這顆每122個地球日圍繞其主星繞一圈的行星，擁有涼爽的表面。很有可能的是，在它冰凍的外表下面，有巨大的海洋。

開普勒-62星系的主星，已經70億歲了，這個星系是個極度缺乏金屬的星系。這里如果有高等文明的話，其使用的建筑材料或許會以高分子化合物為主。

▲ 開普勒-35

與開普勒-62e星同處一個星系的開普勒-62f星，比地球大40%，每267天繞主星公轉一圈。按目前的觀測結果，未來，人類的飛船可以在開普勒-62e和開普勒-62f上著陸。

開普勒-20e是一顆沒有大氣層的巖石星球。這顆半徑為地球0.868倍的星球，太靠近主星，以至于它被潮汐鎖定。就像月球和地球的關系那樣，開普勒-20e始終只有一面對著主星。開普勒-20e到其主星的距離只有地球到太陽距離的5.07%，僅需6.098天就繞其主星公轉一圈。

在它永久的白天和永久的黑夜之間的晨昏線上，巨大的溫度差異塑造了其獨特性格。以87.5°的傾角繞其主星的超近距離轉動，使其地質活動異常活躍。

這里極有可能存在大量活火山。

在同一個星系內，開普勒-20f的溫度稍低，但是依然比地球的平均溫度高太多。它的公轉周期為19.6天。開普勒-20f的半徑為地球的1.03倍，極其接近地球。

▲ 開普勒-78b（右）

在開普勒-20星系內，還有其他3顆行星，分別為開普勒-20b、開普勒-20c和開普勒-20d，都是氣態巨行星。

開普勒-22星系的主星是一顆G型恒星，質量比太陽少3%，體積比太陽小2%。該恒星的表面溫度為 5518開（5245℃），和太陽比較接近（太陽的表面溫度是5778 開，也就是5505℃）。

開普勒-22星系的這顆恒星的年齡大約為40億歲，比太陽年輕一些（太陽的年齡為46億歲）。

開普勒-22b星，這顆系外行星被很多人稱作“水世界”。這顆半徑為地球2.4倍的系外行星，極有可能有大量的水存在，其大氣層或許有著非常豐富的云層活動。

開普勒-35星系，兩顆巨大的恒星相互圍繞，成為雙星主星。該星系或許只有一顆行星。這顆和咱們的土星大小相當的行星孤獨地繞雙星公轉，每131天轉一圈。

在這顆行星上，在白天抬頭仰望的話，會是兩顆相互繞轉的太陽。

開普勒-78b星，比地球重70%，比地球大20%。它離主星太近了，僅8.5個小時就能夠繞其主星轉一圈。按動力學仿真的結果，該星的表層巖石時刻處于重力場的撕扯之中，其星球表面時刻伴隨有巨大的轟鳴聲。這真是一個煉獄般的世界，巖漿會覆蓋整個星球表面。

開普勒-10星系距離我們很近，只有不到565光年。在15萬候選恒星中，開普勒-10星系的恒星備受關注。

這顆星和太陽極其相似，只不過年齡大了一些。開普勒-10星系的主星，年齡超過80億歲。如果這里有智慧生物的話，很有可能比我們人類的文明要發達得多。

開普勒-10b是開普勒-10星系中第一個被發現的行星。它是一個被燒焦的星球。它到其主星的距離比水星太陽的距離要近20倍。據分析，開普勒-10b的表面溫度超過2000℃。這顆熔巖星球的質量是地球的4.6倍，半徑是地球的1.4倍。

在開普勒空間望遠鏡的飛輪系統還好的時候，它就已經發現了不少系外行星。這些行星中，最多的還是體積和我們的海王星類似的行星，只有808顆系外行星的尺寸和我們的地球相當。

開普勒空間望遠鏡不僅向我們揭示了系外行星大量存在這個事實，而且還向我們展示了千姿百態的星系構成形式。

星系的排列有密有疏，氣態大行星的數量有多有少。

開普勒望遠鏡篩選出了可供人類居住的系外行星（理論上）：開普勒-22b、開普勒-69c、開普勒-62e、開普勒-62f。

開普勒-90星系的主星是一顆類似太陽的恒星，而且也有8顆行星。但是它的所有8顆行星都被擠壓到了地球繞太陽公轉的軌道范圍內。

▲ 開普勒-90星系（上）與太陽系（下）的對比

▲ 地球（左）與開普勒-452b（右）的對比。開普勒-452b，比地球更年老，比地球更大

開普勒-90i星的一年，只有14.4天，而太陽系里的水星，一年時間也有88天呢。這個星系，正在從青春期向成熟期生長。這8顆行星，在未來，會逐漸擴散成像太陽系一樣的大間距。是的，一個和我們的太陽系非常類似的星系正在成長中。

“接近”的定義

找到了那么多系外行星，那么到底哪一顆才是最接近地球的呢？這就需要定義一下“接近”了。

ESI，為地球相似指數，其數值范圍在0到1之間，越接近1，表明和地球越像。其中，變量x目前是由行星半徑、行星密度、逃逸速度和表面溫度這4個數值組成的。如果ESI值能夠達到0.8，那就表明，該星球在很大概率上是一顆巖石星球，并且帶有足夠厚的大氣層。

先來算一下火星和金星吧。

小火箭分別從直徑、質量和表面重力加速度來說：火星介于地球和月球之間，火星的直徑約為地球的一半，是月球的兩倍；火星質量約為地球的九分之一，為月球的九倍；火星的表面重力加速度約為地球的38%，是月球的2.4倍。火星體積約為地球的15%，質量約為11%，表面積略小于地球陸地面積。

▲ 開普勒-186f

▲ 開普勒-7b（左）與木星（右）

綜合計算，考慮到表面溫度白天可達28℃，夜晚可低至-132℃，平均-63℃，得到火星的地球相似指數為：0.638。

金星的直徑是12092公里（只比地球少 650公里），質量是地球的81.5%。從尺寸上來講，金星簡直就是地球的孿生妹妹。但是金星表面的狀況從根本上就與地球完全不同，其稠密的大氣層富含二氧化碳。金星大氣中含有96.5%的二氧化碳，其余的3.5%大多是氮氣。綜合計算，金星的地球相似指數ESI為：0.78。

其他太陽系內的天體的地球相似指數，可以自行計算，比如月球是0.56，水星是0.39，冥王星是0.076。

目前，已經確認的系外行星中，地球相似指數最高的，是開普勒-438b星，其數值高達0.88，比金星和火星都要高得多。

開普勒-438b星距離地球639光年，該星的半徑為地球半徑的1.12倍，表面平均溫度為37℃。

另有一顆尚在確認過程中的系外行星，其編號為KOI-4878.01，距離地球1075光年。該星的地球相似指數為0.98！這顆星也是開普勒望遠鏡發現的，不過還未得到最終的確認，我們還是等待科學家的最終定論吧。

開普勒空間望遠鏡已經耗盡了最后一滴燃料，孤零零地漂浮在太空。而它9年來兢兢業業的工作，已經讓我們有充足的理由暢想：

我們在這個宇宙，并不孤獨。而我們對太空的好奇和對真理的渴求，永不會結束。