行星猎手——开普勒太空望远镜

  • 牛佳瑞
  • 日期:2018-12-12
  • 1981

    美国航天局于2018年10月30日宣布,开普勒太空望远镜因能源耗尽而无法继续开展科学作业,九年辉煌的工作生涯圆满落幕。它会在当前所在轨道停止工作,这是一个远离地球、安全的轨道位置。在开普勒望远镜落幕之际,让我们回顾开普勒望远镜的一生,领略这位“行星猎手”的风采吧。

    开普勒望远镜是NASA于2009年3月6日发射的绕太阳运行的太空望远镜,它的科学目标是发现环绕其他恒星的行星,即太阳系外行星,特别是类地行星。那么开普勒望远镜是如何发现这些行星的呢?它运用了一种探测恒星的有力方法——行星凌星法。这种方法的原理与我们常说的“金星凌日”现象类似,是一种应用较为广泛的观测系外行星的方法。当系外行星绕它的恒星运行至恒星朝向地球的一面时,它会遮挡恒星的部分星光,导致我们观测到的亮度降低。当行星运行到恒星的圆面之外时,恒星亮度又会恢复到原来的值。

    这一方法还能判断行星的一些基本性质,如轨道半径、公转周期、宿主恒星的质量、行星大小。在一段时间里监视一颗恒星,它亮度的周期性下降将是有行星存在的信号。通过测量相邻两次亮度下降的时间差,可以确定出该行星的轨道周期,亮度下降的程度则可以用来估计行星的大小。同时,由于凌星行星会被其后方的恒星照亮,一些星光会穿过其可能拥有的大气层。通过光谱分析,天文学家可以测定其大气的成分。但由于行星对于恒星而言过于渺小,所以行星遮挡恒星导致的亮度变化一般不会非常显著,尤其是对于较小的行星和距离恒星较近的行星,因此需要一个非常灵敏的探测器来侦测这些信号。为了能够捕捉到更多的行星,开普勒太空望远镜采用了当时最尖端的恒星亮度测量技术,运用了用于外太空观测的最大的数码相机。

    思考:所有的系外行星都能用行星凌星法(行星掩食法)观测到吗?

    在开普勒太空望远镜运行的这9年中,它主要对天鹅座和天琴座进行观测,并发现了2662颗系外行星,这揭示出宇宙中可能潜藏着数十亿颗行星,其中许多可能拥有孕育生命的潜力。它最广为人知的探测成果是发现了一颗与地球在许多方面有着相似之处的行星——kepler-452b,这颗行星位于天鹅座天区,距离地球1400光年,它的轨道半径是1.046个天文单位,几乎和地球一样,公转周期385天,母星的质量是太阳质量的1.037倍,行星半径是地球的1.59倍,NASA称,这是“迄今为止最接近地球”的系外行星。于2015年 7月24日由NASA公布的这一发现,引起了人们的广泛讨论,众说纷纭。有人认为kepler-452b是地球的“兄弟”,有人说,遥望kepler-452b,能看到1400年前的自己,还有人认为人类可以移居其上。

    寻找另一个地球、星球移民,这一直是人们感兴趣的话题。但事实上,目前人类向太阳系外发射的探测器中,速度最快的是旅行者1号,它的速度是17.06km/s,仅仅约是光速的万分之一,若以这个速度到达那里需要约1400万年。所以,在目前已有的、成熟的技术之中,我们并不具备发射探测器到kepler-452b的能力。但这并不意味着我们完全否定了这种可能。近年来,科学家提出一些为航天器提供动力的其他方法,这些方法有可能大幅度加快航天器的速度。但这些技术都尚不成熟,是否可行还有待科学家进一步的研究。既然不能移居,那么我们发现这些如kepler-452b的类地行星又有什么意义呢?开普勒太空望远镜仅仅在部分天区、在几年时间内进行探测,就发现了几千颗系外行星,并在其中发现了kepler-452b这一与地球极其相似的行星。因此,kepler-452b的发现更启示我们——在宇宙中可能存在着许多的类地行星,当我们进行进一步的探索,可能有着更多的发现。你可能会问,既然可能存在许多与地球环境相似的行星,那么这些行星上会不会也孕育出文明呢?

    这就不得不提到大名鼎鼎的“费米悖论”了。1950年,诺贝尔奖得主,物理学家费米在与别人讨论地外生命时提出一个问题“他们都在哪儿呢?”,这个看似简单的问题,就是“费米悖论”。

费米

    “费米悖论”中主要的矛盾在于:由科学推论可知,在银河系中有许多年龄比太阳更大的恒星,如果这些恒星所构成的星系中有智慧生命,如果星际旅行可行,那么在银河系这一有限的尺度中,这些智慧生命只需有限的时间就可以来到地球,但迄今为止,人类并未在地球上发现外星生物存在的证据。有一种流行的解释是“大过滤器”:大过滤器理论认为,有一堵几乎所有文明都会撞上的墙,这面墙是文明漫长的演化过程中一个极端困难甚至不可能跨过的阶段,这个阶段就是大过滤器。所以文明才会如此稀少。那么问题又来了:大过滤器究竟出现在文明的哪个阶段?人类究竟是已经跨过了这堵墙,成为了文明中的幸运儿?还是大过滤器仍横亘在我们面前,有一场大灾难阻断文明的进程?又或是根本不存在大过滤器?只能留待读者日后探索了。

    费米悖论没有答案,我们至今只能提供可能的解释而已。问十个科学家,你会得到十个不同的答案。回想一下人类曾经争论地球是圆的还是平的,地球绕着太阳转还是太阳绕着地球转,闪电是宙斯造成的,等等。这些想法在现在看来或许很好笑,但是我们现在对于费米悖论的解释大概也就是这个程度。但开普勒望远镜的探索为费米悖论注入了新的活力,让我们对地外生命的存在性有了更深刻的认识,相信费米悖论距离合理的解释越来越近了。虽然开普勒望远镜已落幕,但新一代的行星猎手正在崛起,像TESS 凌星太阳系外行星巡天卫星、詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)以及一些地面望远镜(欧洲特大望远镜,巨麦哲伦望远镜)。相信它们会继开普勒之后取得一个又一个硕果。宇宙之大,其中蕴藏着无限的可能,还有许多未知值得我们去探索。人类对宇宙的探索,从古至今,永不停息,让我们共同期待未来更多的发现吧。

(图片来源于网络)

                                                                                                                                             

                                                                                                                                                                            文字:赵睿、洪语良

                                                                                                                                                                            编辑:牛佳瑞