前赴后继的行星猎手

有迹象表明开普勒望远镜的燃料即将耗尽，NASA已经将开普勒调整成休眠状态，并开始下载最近一个观测周期的科学数据。与此同时，新一代的接替者“苔丝”也已经进入预定轨道。

南方周末特约撰稿 鞠强

在很长一段时间里，我们所知道的行星都位于太阳系中。直到20世纪90年代开始，天文学家才真正开始系统地对太阳系外的行星进行搜寻。2009年，开普勒太空望远镜（Kepler Spacecraft）发射升空，我们对系外行星的探索随之进入新的纪元。

这段探索的故事激动人心，却也不可避免地要迎来结束的一刻。2018年7月7日，美国国家航空航天局（NASA）在官方网站上发布消息，开普勒望远镜因为燃料随时可能耗尽，已经暂停观测工作，把此前获得的观测数据传回地球是当前的首要任务。这可能预示着有史以来最成功的系外行星探测器即将功成身退。不过，我们也不必为系外行星未来的研究前景感到担忧，因为开普勒望远镜的接班者“苔丝”（TESS）已经在2018年4月发射升空并成功入轨。如同天文学中的其他很多领域一样，在搜寻系外行星的路上，一代代科学家和他们的探测器正前赴后继。

燃料不足

7月初，NASA的开普勒望远镜团队就发现，有迹象表明开普勒望远镜的燃料即将耗尽。望远镜上并没有类似汽车油表的装置来显示剩余燃料的百分比，因此科学家只能通过望远镜的运行状态来对燃料余量进行推测。他们已经根据这个迹象将望远镜调整成休眠状态，从而节省燃料，并用这些宝贵的燃料来下载开普勒望远镜在最近的一个观测周期内收集到的科学数据。一旦数据下载完成，且开普勒望远镜仍然还有燃料，那么它将使用剩余燃料开始下一个观测周期。

目前等待下载数据的这个观测周期是开普勒望远镜的延伸任务“K2”中的第18个观测周期，而这个延伸任务的由来与开普勒望远镜发生过的重大故障有关。2009年3月7日，开普勒望远镜由德尔塔2型火箭搭载，在美国卡纳维拉尔角发射中心发射升空。它最初计划在太空中工作3年半的时间，但是由于数据受到噪声的影响超出预期，因此在2012年，研究团队计划把任务延长到2016年，从而完成预定的目标。

随后发生的一连串事件却使这个计划不得不搁浅。2012年7月14日，开普勒望远镜用于调整方向的4个动量轮中的一个发生了故障。这时其余3个都必须正常工作，任务才能继续进行。但是祸不单行，2013年5月11日，又一个动量轮发生了故障。当年8月15日，NASA宣布无法修复发生故障的2个动量轮。开普勒望远镜对准天空中的特定区域进行观测，因此两个动量轮发生故障后，望远镜无法再继续保持精确的指向。这样一来，原定的观测计划已经肯定无法完成，项目团队必须拿出新的方案。

结果，科学家设计了一个非常巧妙的方案，利用微弱的光压帮助开普勒望远镜调整位置，这样它就可以以扫描模式对小而暗淡的红矮星周围的宜居行星进行搜寻。这个延伸任务被称作“K2”。但是由于光压会受到季节的影响，因此每隔一段时间，开普勒望远镜还是要用剩余不多的燃料对运行姿态进行调整，才能继续工作，由此也就加速了燃料的耗尽。两次调整之间的间隔就是一个观测周期。

传输数据也非易事。开普勒望远镜必须把巨大的天线对准地球才能将数据传回地球，同时接收数据的深空网络（Deep Space Network）由于服务于多个观测项目，因此数据传输必须是在分配给开普勒望远镜团队的时间内进行，这个时间目前预计是在8月初。在此之前，开普勒望远镜都将保持稳定并将处于燃料零消耗的安全模式中。8月2日，团队将会唤醒望远镜并将它调整好方向，开始数据下行。姿态调整和数据传输大概需要几天的时间。如果一切顺利的话，团队有望在8月6日开始用剩余燃料启动第19个观测周期。

早在2018年5月，在开普勒望远镜完成“K2”的第17期观测后，研究团队已经收到了燃料不足的预警。当时他们努力使开普勒收集到的观测数据传回地球，随后发现开普勒望远镜还有剩余燃料。5月12日，开普勒开始第18个观测周期，目标是巨蟹座中的一小块天区。早在2015年，开普勒望远镜就曾对这一天区进行过研究。第二次观测这一天区获得的数据将帮助天文学家确认一些此前发现的系外行星候选者，同时尝试发现新的系外行星。对于研究团队来说，当务之急就是把这些数据传输回地球。

不负众望

在工作周期的尾声，开普勒望远镜还在源源不断地收集并传回数据，这令研究团队和所有从事系外行星研究的天文学家既不舍又欣慰。回顾开普勒望远镜此前的成果，可谓功勋卓著。这台以提出行星运动三大定律的德国天文学家约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）的名字命名的太空望远镜，设计目标是寻找围绕其他恒星运行且与地球大小接近的行星。进入太空后，开普勒望远镜定位在地日系统的第二拉格朗日点上，用携带的高精度光度计对目标天区内的14.5万颗主序恒星进行连续的精密观测，以搜寻系外行星。

太空探索计划一般都花费不菲，但与获得的成果相比，开普勒望远镜算是“物美价廉”的一个。它的花费在6.4亿万美元左右，属于NASA的“发现计划”（Discovery Program）中的一项，这是一系列成本较低的空间科学任务，另外还包括2018年5月5日刚刚发射的洞察号火星探测器（InSight）等。与此相比，NASA另一个著名的项目“新边界”（New Frontiers program）计划的花费则较高，其中包括探索冥王星的新视野号（New Horizons）和探索木星的朱诺号（Juno）。

虽然观测任务并非一帆风顺，但是开普勒望远镜还是对我们认识系外行星带来了革命性影响，堪称研究系外行星的一把利器。即使在发生严重故障后，科学家仍可以对此前4年观测期内收集的数据进行分析以获得新的发现。比如2015年1月6日，NASA就宣布了由开普勒望远镜发现的第1000颗系外行星。2015年7月23日，NASA召开的新闻发布会因为会前对“大新闻”的预告而引起天文学界的广泛关注。会上，NASA宣布发现了有“另一颗地球”之称的系外行星Kepler 452b。这颗系外行星位于天鹅座，距离地球1400光年，公转周期大约为385天，和地球的公转周期比较接近。它围绕着一颗主序恒星运行，与恒星位置适中，处于所在系统的宜居带（距离恒星距离合适，温度适宜，允许液态水在行星表面存在）中。生命被认为最有可能出现在位于宜居带的行星上，地球就处于太阳系的宜居带内。

开普勒望远镜团队一边在利用望远镜进行观测，另一边也在对收集到的数据进行分析，并不断公布新的发现。就在2018年6月28日，该团队还在arXiv网站上发表论文，公布了根据“K2”的第10个观测周期的数据获得确认的44颗系外行星。

截至2018年7月9日，天文学家一共确认在2842个系统中发现了3801颗系外行星，其中有633个系统中包含2颗或2颗以上的系外行星。在这之中，开普勒望远镜就发现了2650颗。更重要的是，开普勒望远镜还在不同系统的宜居带中发现了30颗体积不大于地球体积2倍的系外行星，它们成为“另一个地球”最有力的候选者。研究团队对开普勒望远镜观测数据的分析仍在进行中，因此这些数字最终肯定还会继续增加。

接班在即

开普勒望远镜的任务即将画上句号，而接过接力棒的下一代系外行星探测器也已经就位。2018年4月18日，新一代“行星猎手”——凌日系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite），也就是“苔丝”（TESS），已经由美国太空探索公司（SpaceX）的猎鹰9号火箭发射升空。

“苔丝”在成功发射后，经历了11次变轨和1次月球弹弓效应，最终进入预定轨道。“苔丝”的轨道是一个特别的大扁率椭圆轨道，近地点大约是108000千米，远地点为375000千米。在轨运行过程中，“苔丝”会有近距离接近地球的时段，这样它就可以比开普勒望远镜更高效地传送观测数据。

“苔丝”计划工作两年，随后会根据实际情况进行延长。在最初的两年时间里，“苔丝”会在第一年对南天球进行扫描，在第两年对北天球进行扫描。在扫描过程中，“苔丝”将把天球分成26块，每一块的观测周期是27.4天。事实上，“苔丝”观测覆盖的天区面积占到整个天区面积的85%，这个数字是开普勒望远镜观测天区面积的400倍。

除了观测范围不同外，“苔丝”与开普勒望远镜搜索的系外行星类型也有不同。对于开普勒望远镜发现的大量系外行星，科学家并不知道它们的质量。它们距离地球太远，超出了目前地基望远镜测量的限度。与此相比，“苔丝”计划观测的系外行星距离地球更近，也更加明亮，这样它们就在地基望远镜的观测能力之内。如果天文学家可以测量这些系外行星的大小和质量的话，他们就能知道这些行星的密度，从而了解它们是像地球一样的岩质行星还是像木星那样的气体行星。

天文学家使用多种方法寻找和研究系外行星，包括视向速度法、凌日法、直接成像法和微引力透镜法等，这主要取决于系外行星的距离和所在系统的恒星性质。由于系外行星的亮度与恒星相比太低，比如太阳的亮度是太阳系内任何行星亮度的10亿倍，因此想直接观测到一颗系外行星会极其困难，所以天文学家只能寻找一些间接方法。

开普勒望远镜和“苔丝”使用的都是其中的凌日法，我们从“苔丝”的全名中就可以知道这一点。当一颗行星在恒星前穿过的时候，由于行星的遮挡，观测到的恒星光度会有一个微量的降低，降低的比例取决于恒星与行星尺寸的相对大小：较大值可以超过1%，而像地球在太阳之前穿行引起的光变量大约只有0.008%。凌日法的优势就是可以通过光变量确定行星的大小。例如，前面提到的Kepler 452b就是通过凌日法发现的，当时测得它的体积大约比地球大60%。

“苔丝”的目标是在观测周期内通过凌日法对太阳附近亮度最高的20万颗恒星进行巡视，以寻找发生凌日现象的行星。“苔丝”团队的科学家希望能够发现超过20000颗系外行星，而在这些系外行星中，科学家认为将有300颗的尺寸与地球相当，或者不超过地球体积的2倍。这些系外行星将为其他的研究提供重要的目标，比如目前预计于2021年3月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）。强大的观测能力使它得以对这些系外行星进行更加细致的观测，例如了解它们的大气组成，以确定是否存在生命以及是否适宜生命生存等。

1609年，当伽利略第一次使用望远镜观测木星的时候，他没有料想到会发现4颗以他名字命名的木星卫星，更不会想到一场影响深远的天文学革命已然爆发。整整4个世纪后，开普勒太空望远镜发射升空。从这一年开始，行星猎手前赴后继，书写了一段段探索宇宙的传奇故事。因此，当我们或者我们的后辈在未来回忆起2009年的时候，或许会觉得它和1609年有着一样的分量。