“开普勒”踏上寻亲之旅

蔡如鹏

“开普勒”出发寻找另一颗地球，无论它发现了什么，都将会使太阳系外行星探测进入一个新纪元

400年前，开普勒因提出行星运动定律而开创天文学新局面。现在，一架以这位德国天文学家名字命名的太空望远镜又被天文学家们寄予了新的希望。

3月6日夜，“开普勒”太空望远镜在美国卡纳维拉尔角空军基地被送入太空，用以搜寻太阳系外与地球相似的行星。

搜寻外星人的家

类地行星指的是大小与地球相接近的行星，被认为是宇宙中最有可能存在生命的地方，因而在天文学研究中一直占有举足轻重的位置。此前，通过地面望远镜和其他太空探测器，天文学家已经在太阳系外发现了340多颗行星(包括几颗类地行星)，但它们表面的温度都太高，并不适合生命生存。

“开普勒”的优势在于，它所携带的设备十分灵敏，能够检测到更小、更冷、更适宜生命生存的类地行星。

作为世界上第一个专门用来寻找类地行星的航天器，“开普勒”携带了一架直径95厘米的望远镜，其核心是一个9500万像素的数码相机。在漆黑的太空中，它可以观测到地球上一盏普通灯的熄灭。

适合生物生存的类地行星必须与恒星保持适当的距离，不能太近，也不能太远。只有这样温度才不会太高而把水烧开，也不会因为温度太低而变成一个冰封的世界。

“如果有许多类地行星存在，那么就可能会有许多生命。”这项研究的首席科学家、美国航天局艾姆斯研究中心的威廉•博勒茨基说，“我们不是找外星人，而是找外星人的家。”

这位天文学家同时强调，“开普勒”的重点不在于找到任何特定行星，而是看看宇宙中类地行星到底有多罕见。

据悉，未来3至4年，这架耗资接近6亿美元的太空望远镜，将对银河系天鹅星座与天琴星座的一小块天区，进行“不眨眼”的持续观察，所监测的恒星数量将超过10万个。

这些恒星虽然全在地球几百光年之外，但均位于天空中的同一方向。美国华盛顿卡内基研究院参与这一研究的天文学家艾伦•博斯说：“这就像你打算研究一座城市，要先调查它的一片街区一样。‘开普勒将告诉我们，必须搜查多少间‘房子，才能找到人类的邻居。”

观察灯塔边的萤火虫

搜寻太阳系外的行星并不是一件容易的事情。

其中，最大障碍是恒星会发出强烈的光芒，掩盖了行星的存在。北京大学物理学院天体物理学家刘晓为对《中国新闻周刊》打比方说：“这就好比几十公里外有一盏耀眼的灯塔，你要在它附近找萤火虫，非常困难。”

因此，直到1995年，天文学家才发现了第一颗太阳系外的行星。

事实上，这颗行星并不是天文学家直接“观察”到的，而是利用“视向速度法”间接证实了它的存在。

由于引力作用，行星会对母恒星的运动产生影响，使其出现周期性的轻微摆动。这种细微变化能够在恒星的视向速度(天体沿观测者视线方向单位时间内移动的距离)中得到准确的反映。因此，通过测算恒星的视向速度，就可以间接地寻找它附近的行星。

目前已发现的太阳系外行星，绝大多数都是通过“视向速度法”找到的。但这种方法只适合“观察”质量较大、距离恒星很近的行星(这类行星由于大小类似于木星，因此也被称为“热木星”)，而对更小的类地行星，这种方法无能为力。

刘晓为告诉《中国新闻周刊》：“木星对太阳视向速度的影响大概是10米每秒，而地球只有零点几米每秒，很难观测。”因此，视向速度法不适合寻找类地行星。

“开普勒”则是通过跟踪“凌日”现象来寻找那些“失落的世界”。

“凌日”是指当行星位于恒星和观测者之间时，出现的一种天文现象。比如在地球上可以观测到水星凌日或金星凌日，这时人们看到太阳表面上仿佛有个小黑点在缓缓移动。同样，观测其他恒星系统也有可能看到类似的凌日现象，从而证实行星的存在。

事实上，2006年12月欧洲发射的“科罗”天文望远镜，已经通过“凌日”现象发现了一颗迄今为止最小的类地行星。不过，这颗大小相当于地球两倍的行星温度极高，无法满足生命存在的基本条件。

与围绕地球转动的“科罗”不同，“开普勒”将会在远离地球的轨道上绕太阳转动，以避免地球对其观测的干扰。

同时，这也可以使“开普勒”能够在3年半的时间里不间断地观测同一片天区，而“科罗”由于地球的阻挡，对同一片天区的最长连续观测时间只有5个月。

如果一颗类地行星的公转周期也是1年，而它恰巧又位于“开普勒”的视场之内，那就意味着它将有3次“凌日”现象被记录下来。

艾伦•博斯说，当你第一次观察到恒星亮度“变暗”时，不能说明任何问题。只有观测到第二次“变暗”，你才能说这可能是“凌日”现象，不过这仍无法确定，你还需要等待下一次“变暗”。如果第三次“变暗”如期而至，基本就可以断定这是一颗行星了，不过出于谨慎，你还应该继续等待第四次“变暗”的出现，“而这些都需要持续不间断地长时间监测，才能排除诸如恒星亮度自身涨落等因素的干扰”。

另外，“开普勒”具有非常广阔的观测视场范围，至少能覆盖10万颗恒星，“足以构成一个具有统计学意义的样本”，博斯说。事实上，这也是不使用“哈勃”望远镜的原因——它的视场太小。

成功需要运气

“开普勒”最终能发现多少颗类地行星，现在没人说得清楚。

不过，天文学家一般从理论上推测认为，类地行星相当普遍。博斯说，恒星在形成的时候，大量残留下来的物质会在其周围形成一个“盘”，逐渐演化成行星系统，“要让类地行星无法形成，实际上反而会比较困难”。

与此同时，天文学家说，类地行星要比“热木星”更容易形成。此前观测到拥有“热木星”的恒星，在所有恒星中所占比例至少有10%，甚至可以达到20%。因此，他们认为，类地行星的存在应该更加普遍才对。

“由于观测手段及精度的限制，现在还无法准确估计宇宙中类地行星存在的数目，但粗略估计，银河系中可能存在上亿颗类地行星。”国家天文台副台长赵刚对《中国新闻周刊》说，“如果银河系的观测结果可以推及到其他星系，那么宇宙中的类地行星数目将是一个非常巨大的天文数字。”

赵刚曾于2009年1月借助视向速度法发现了一颗太阳系外行星。这也是中国天文学家发现的第一颗太阳系外行星。他说，如果“开普勒”的探测获得成功，人们对类地行星的认识将有质的飞跃。

不过，“开普勒”的成功或许还需要一些运气。

博斯说，如果假设每颗恒星都有一颗类地行星，而在1000颗类地行星中有一颗被观测到，那么“开普勒”就能“看”到大约100颗类地行星。

“不过假如我们错了，比如说，每100颗恒星才有一颗类地行星，那么‘开普勒就只能找到一颗。如果运气不好，甚至连一颗也找不到。如果每1000颗恒星中才有一颗恒星拥有类地行星，那发现它们真的需要运气。”博斯说。

博勒茨基说，如果找到了数量可观的类地行星，那么未来15年，必定将掀起一股研究这些行星的热潮，比如仔细地探索上面是否有氧以及其他和生命有关的证据。

不过，“开普勒”找到的结果也有可能走向另一个极端。如果最终发现的类地行星非常罕见，那将意味着地球可能的确非常稀罕，是宇宙中的一个特例，而要探测更遥远类地行星的计划，不但在技术上还存在很大的障碍，而且也需要花很长的时间。

无论“开普勒”发现了什么，都将会使得太阳系外行星探测进入一个新纪元。