寻找类地行星天眼：开普勒

伤我心太深

寻找太阳系外类地行星的开普勒空间望远镜比地面望远镜有明显的优势，因为它被部署在太空，能避免地球的昼夜、季节循环干扰以及天气变化和大气扰动（图中阴影部分表示太阳系外星系）

寻找太阳系外类地行星的开普勒空间望远镜比地面望远镜有明显的优势，因为它被部署在太空，能避免地球的昼夜、季节循环干扰以及天气变化和大气扰动（图
中阴影部分表示太阳系外星系）

系外行星

随着“地球表哥”开普勒-452b揭开神秘面纱，人们对开普勒（Kepler）空间望远镜的探究热情也持续升温。目前，人类已知的大部分太阳系外类地行星都是由“神眼”开普勒发现的，在4696个可能的系外行星候选者中，开普勒已经确认了1030颗。那么，开普勒空间望远镜是如何寻找系外类地行星的呢？

类地行星，顾名思义就是类似于地球的行星，它由岩石构成，围绕着像太阳一样的恒星运行，很可能孕育着生命，因而具有十分重要的研究意义。长期以来，人类一直通过各种办法在太阳系外寻找类地行星，但面临的一大困难就是缺乏观测手段。因为在类似太阳系的遥远星系中，恒星和行星的距离往往较近，所以恒星发出的强烈光芒会掩盖行星，使地球上的天文望远镜观测不到。

在开普勒空间望远镜发现的1030颗已经证实的系外行星中，有12颗系外行星的大小不超过
地球的两倍，且位于母恒星的宜居带内，有可能与地球相似

开普勒：把光度计带到太空去

其实，早在2009年3月3日以前，人类就已发现了342颗系外行星，不过它们绝大多数属于类木行星，即都是体积比较大、表面是气体、类似于木星的行星，据说其中没有一颗适于生命存在。这样的结果主要是由于当时的探测方式和技术水平所决定的，并不能说明太阳系外不存在类地行星或与地球大小相当的行星。

2009年3月6日，美国发射了世界第一个专门用于寻找太阳系外类地行星的空间望远镜——开普勒。其“绝活”是把全球体积最大的光度计带到太空中去。

开普勒-452与开普勒-186的恒星系统与太阳系的比较（开普勒-452b的直径略大于地球，和中心恒星之问的距离与日地距离相
似，比开普勒-186f更像地球）

开普勒的任务是寻找与地球相似的行星，解答“地球是否是孤独的”这个人类亘古以来就面临的难题。简单地说，这项任务就是要找到宇宙中生命有可能存在的地方，从而有可能改变人类对宇宙的看法和对自身的认识。

因此，科学家们把研究重点瞄准恒星宜居带中是否有与地球大小相当，不太冷、不太热、可能存在液态水的行星。这次发现的开普勒-452b，直径比地球大60%，然而单就大小而言，它并不是最像地球的太阳系外行星，因为2014年宣布发现的开普勒-186f，其直径是地球的1.17倍;2015年年初宣布发现的开普勒-438b，其直径更是只有地球的1.12倍。这两颗行星都处在各自恒星的宜居带内，也都比开普勒-452b更接近于地球的大小。只不过，这两颗行星所环绕的恒星都要比太阳小得多，也暗得多。而开普勒-452b所环绕的母恒星，与太阳非常类似：其直径比太阳大10%，质量比太阳多4%，亮度比太阳高10%～20%，连表面温度都相近，只是年长了15亿岁。因此，如果把恒星也考虑进来的话，开普勒-452b确实称得上是“另一个地球”。

欧洲科罗号寻找系外行星（来源：ESA）

当然，开普勒的主要目标还是通过抽样调查的方式，帮助天文学家更好地了解地球这样的宜居行星在整个银河系当中到底有多么普遍。研究这些地球的“远房亲戚”，有助于科学家理解地球的演化，并预测地球的未来。

巧用“凌星”寻芳踪

用“凌星”法搜寻太阳系外行星，一般用3个参数来考量，即“凌星”的重现周期、间隔以及“凌星”时恒星亮度的相对变化量。根据“凌星”现象的周期性，能确定这颗恒星周围是否存在行星;根据行星“凌星”的间隔，能计算出行星的轨道以及估计行星的温度;根据行星“凌星”时亮度变化的大小，能确定行星的大小。

从地球方向上看，当恒星系统中的行星运行到开普勒空间望远镜与恒星之间时，由于行星遮挡了一部分恒星发出的光，所以会使开普勒的光度计接收到的恒星亮度变弱，开普勒空间望远镜上的光度计非常灵敏，可以检测到约恒星亮度十万分之一的微弱变化。科学家根据恒星亮度的周期性微弱变化，可以推算出系外行星的大小和轨道周期。

行星“凌星”产生的光变曲线，1、2、3为行星行进过程中的3个时刻

不过，对每颗行星至少要观测到3次“凌星”现象，才能确定其轨道周期。如果潜在的行星轨道周期很短（几天或几周），则意味着它距其母星非常近;如果其轨道周期很长（几年），则意味着它更接近于该恒星引力控制范围的边缘。距离过近或过远，会使行星上过热或过冷，无法支持生命的出现。综合这些因素能告诉人们，某颗行星是否具有宜居性。

开普勒探测系外行星的秘诀

宇宙浩瀚无垠，我们究竟该如何探测系外行星呢？以前，大部分系外行星是通过测量“视向速度”来研究，因为恒星的“视向速度”会随着围绕其运动的行星而变化。根据多普勒效应，恒星的“视向速度”可以从恒星光谱线的移动推导出来。这种方法有利于发现靠近恒星的大行星，然而对于和地球质量相仿的小质量行星，这种方法并不具有优势。

调试光度计上由CCD图像传感器

如今，测量“凌星”法更适合发现像地球大小的星体，开普勒就是采用这种方法。当行星从其母恒星前飞过时，会阻挡一部分恒星的光，即出现行星“凌星”现象，这样就可以确定这颗母恒星周围是否存在行星，并根据“凌星”的间隔和亮度等因素，确定行星的轨道、温度和大小等指标。这就像人们看到远处有一辆亮着大灯的汽车，当一只小虫从车灯前经过时，可通过光线变化推断虫子的大小。

通过研究行星在对应恒星面前“穿越”的现象，就有望能“追踪”到围绕这些恒星的类地行星的痕迹。严格地讲，开普勒并不是世界上第一个专门用于寻找系外类地行星的空间望远镜，因为欧洲在2006年12月27日发射的科罗（COROT）空间望远镜也是用测量“凌星”的办法来探测系外行星的。但是开普勒要比科罗空间望远镜先进，成果也更丰富。

由于开普勒是围绕太阳运行的，运行轨道与地球轨道基本重合，一个周期约为372天。而科罗是绕地球运行的，这意味着开普勒能有更多的时间搜寻目标星球的“芳踪”。与科罗相比，开普勒可以在3年半的时间里不间断地观测同一片天区。而由于地球经常会遮挡科罗的视线，同时为避免阳光对观测的影响，科罗对同一片天区的最长连续观测时间只有5个月。另外，开普勒也比科罗灵敏得多，因为其光度计主镜直径是科罗的3.5倍，因此它能看到大小只有地球一半、和火星差不多大的行星。

由于能长时间连续观测，所以开普勒能至少“看到”3次轨道周期为一年的行星“凌星”现象。这是严格确认这些周期性事件所需的最少观测次数，由此可排除诸如恒星耀斑或恒星亮度自身涨落情况的干扰。

为开普勒物色“潜伏地”

测试开普勒上的“神眼”——光度计

为实现连续观测，开普勒上的光度计视场要在黄道平面之外，这样才能不受太阳或月球的周期性遮挡。因此，科学家们为开普勒物色了一个“绝佳潜伏地”——开普勒空间望远镜运行在与地球相同的轨道上，与地球同速绕太阳运行。

科学家们将开普勒的观测天区选择在银河系中的天鹅座和天琴座一带。之所以这样，是因为天鹅座距离地球轨道（黄道）北部很远，因此开普勒不会被太阳干扰视线。此外，它也是银河系中拥有大量恒星的一个区域。

调试光度计上由CCD图像传感器组成的焦平面阵

为了保证有效观测，开普勒在上天的第一年，就跟踪了17万颗恒星，随后慢慢将范围缩至10万颗。每当行星从恒星和开普勒中间飞过的时候，开普勒就利用类似数码相机一样的光度计，捕捉恒星亮度的细微变化。由于行星“凌星”现象持续时间并不长，众多的恒星又必须同时观察，这就要求开普勒随时严阵以待，对所有目标恒星每隔数小时监测一次。

“天眼”开普勒技高一筹

开普勒看上去其貌不扬，却拥有一台迄今为止世界最大、灵敏度极高的光度计。它用精确度和灵敏度都超高的光学数字探测器组合（总计约9500万像素）来捕获绕母星运行的系外行星所引起的细微光线变化。如果我们从太阳系外看，地球经过太阳面前时，只阻挡了0.008%的太阳光，而开普勒的设计精确度是能探测到小至0.002%的微弱亮度变化，这种情况相当于跳蚤跳过车前灯。

这台光度计具有105°×105°的宽视场，这意味着开普勒空间望远镜能在视场中看到更多数量的恒星。它的灵敏度极高，可连续、同步监测10万多颗像太阳一样的恒星的亮度，及时发现行星的“穿越”现象。假如开普勒把镜头移向地球上的某一个小镇，这台光度计甚至可以侦测到一个打着电筒走过的人。

相信有开普勒的鼎力相助，还会有更多太阳系外的类地行星呈现在人们眼前。

开普勒的“重生”

由于开普勒成就显著，2013年4月，美国国家航空航天局宣布，将开普勒原定3年半的任务期延长至2016年。但在2013年5月14日，开普勒的1个反作用飞轮坏了，再加上2012年坏的1个反作用飞轮，其4个用于姿态控制的反作用飞轮已坏了2个，所以无法继续提供精确的定位，完成搜寻使命。在经过数个月的努力后，2013年8月15日，美国国家航空航天局曾宣布放弃修复开普勒。不过，2014年，开普勒团队用太阳光子产生的压力作为一个虚拟反应轮，重新控制了望远镜并使其“复活”，而其在重获“新生”后，竟再建新功。不久的将来，美国将发射“太阳系外行星猎人”来接替开普勒，继续完成寻找系外行星的使命。