开普勒太空望远镜及系外行星探索（下）

2022-05-30

军事文摘·科学少年 2022年10期

一、开普勒太空望远镜

开普勒太空望远镜的科学目标是探索行星系统的结构和多样性，如：在各种恒星的可居住带内（或附近）存在的类地行星和更大的行星的百分比；这些行星轨道的形状、尺寸大小、物理特性和分布情况；确定那些拥有行星系统的恒星的性质等。获得这些信息需要通过观测大量恒星样本，以及对大量观测数据的分析处理来确定。

1. 开普勒太空望远镜的科学目标

2. 运行轨道及观测区域

开普勒太空望远镜定位在地-日系统的第2拉格朗日点附近，跟着地球围绕太阳运转，可避免被地球遮蔽，能长时期、连续地观测选定的目标天区。开普勒太空望远镜被设计指向远离黄道面的天鹅座和天琴座附近的一个10度乘以10度的天区，图2中格子代表开普勒太空望远镜探测器的视场。

开普勒望遠镜搜索系外行星使用的方法是凌日法（也称凌星法或称掩食法）。要观测到遥远的系外行星凌恒星事件，要求在观察过程中恒星都不能被其他天体遮挡，因此开普勒太空望远镜的目标天区选择在黄道面之外，这样就不会被黄道面上、柯伊伯带或小行星带的天体遮蔽到。还有第二个原因是望远镜视场里需要有尽可能多的恒星，但也不能密集到不可分辨，所以科学家选择了天鹅座和天琴座附近的天区，那里既不是银河系中心，也不是银河系边缘，又远离太阳系的黄道面。

开普勒任务分为两期，第一期2009年至2013年，望远镜正常观测。

2013年，望远镜的4个反应轮损坏了2个，只剩2个反应轮能工作，无法操控一直指向目标天区。科学家想办法控制望远镜在一部分时间（约83天）能稳定指向一个天区，然后再指向另一个天区。这样的工作模式（称为K2模式）从2014年一直工作到2018年。

二、开普勒的继任者TESS

凌日系外行星巡天卫星（简称TESS，中文苔丝）是NA SA为接替开普勒任务而发射的太空望远镜，同样用凌日（星）法搜寻系外行星。

但TE SS的搜寻目标是太阳系周围距离地球数百光年甚至更近的系外行星。另外TESS的视场更大，携带4个视场24度乘以24度的相机，几乎可以对整个天空进行搜寻。该探测器上功能强大的相机会持续不断地对每个区域进行查看，每27天巡视一次，每两分钟对星体的可见光进行测量。

TESS的主要使命是在两年内“扫描”超过20万颗太阳系外离地球“最近、最亮”的恒星，确认是否有行星围绕它们公转。预计TESS会发现2万颗系外行星，其中50颗以上“与地球一般大小”甚至更小。从启用至今，TESS已经扫描了近85%的天空范围，为科学家提供了海量的天文数据。

这些数据既复杂又海量，科学家必须通过各种方法分析，才能够解读出各种人们想知道的信息，包括系外行星的质量、密度、体积和轨道等。现在一个国际研究组通过使用机器学习算法，竟然一下子发现了97个由四颗恒星组成的天体系统。

三、中国搜寻地球2.0计划

1995年以来，人类已经发现并确认了5000多颗系外行星。这些行星大小不一、形态各异，涉及热木星、亚海王星、岩石行星、超级地球等类型。

天文学家将行星系统中适合生命存在的行星轨道范围称为“宜居带”。在“宜居带”内，行星表面平均温度能够维持液态水稳定存在，因此可能拥有与地球类似的生命存在的条件。同时，这里的恒星辐射和活动性不会太强，以免行星大气中的水分子、二氧化碳分子发生电离，甚至剥离行星大气。

目前发现的太阳系外宜居带类地行星约50颗，但它们或者质量大，或者距离地球遥远（几千光年），或者围绕红矮星运转等。我们更关心的是距离地球较近（几十光年范围）围绕类似太阳这样的恒星周围，有没有类似地球的行星（相当于一个孪生地球，或称地球2.0），也就是和地球质量相当，轨道处于宜居带，大气或者表面可能有液态水来维持生命存在的行星。

中国科学家提出一项通过太空望远镜开展的巡天计划，寻找地球近距离的太阳系外处于宜居带上的类地行星。这将是国际上首次专门在近邻类太阳型恒星周围寻找宜居类地行星的空间探测任务。

中国“地球2.0”项目汇聚了来自国内外30多所大学及研究机构的超过200多位天文学家。未来，该项目所取得的观测数据亦将实现全球共享——中国的“地球2.0”从一开始就超越了国界。