開普勒望遠(yuǎn)鏡的宇宙“第一瞥”

　　文/張弛

　　美國宇航局最近公布了開普勒太空望遠(yuǎn)鏡從銀河系邊緣拍攝的照片。開普勒對太空的“第一瞥”，初步描繪了在今后三年半甚至更長的時(shí)間里，它所要觀測的范圍。一張全景圖將數(shù)百萬顆恒星收納在同一畫面中，這是人類歷史上從未有過的廣闊視野。開普勒太空望遠(yuǎn)鏡于3 月初發(fā)射升空，是世界上首個(gè)專門用于搜尋太陽系外類地行星的航天器。

　　4 月16 日，美國航天局在網(wǎng)站上公布了開普勒太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝的首批照片，這套以“曙光”命名的圖片，初步描繪了今后三年半甚至更長的時(shí)間里所要觀測的范圍。預(yù)計(jì)在5 月初，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡將正式開始執(zhí)行任務(wù)，探尋與地球生態(tài)環(huán)境類似的可居住行星。

　　“開普勒對太空的第一瞥令人驚嘆，”開普勒執(zhí)行主管利亞·拉皮亞納說，“能在一個(gè)畫面上看到數(shù)百萬顆恒星真是讓人激動(dòng)不已。”開普勒太空望遠(yuǎn)鏡觀測的天鵝座、天琴座及其附近區(qū)域，在遼闊的星空中只有手掌般大小，卻是銀行系恒星最為密集的地帶，預(yù)計(jì)有1400 萬顆恒星。科學(xué)家們已挑選出10 萬顆左右，作為該望遠(yuǎn)鏡搜尋類地行星的重點(diǎn)觀察對象。

　　“將這些恒星納入觀測系統(tǒng)讓我們?nèi)f分驚喜。”項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人威廉·博魯克基表示，“我們興奮地期待著，去發(fā)現(xiàn)環(huán)繞在每粒恒星周圍的數(shù)百個(gè)星體。這也是人類第一次有能力在宇宙深處探索恒星周圍的可居住帶，它有可能帶領(lǐng)我們發(fā)現(xiàn)另一個(gè)地球。”

　　從已發(fā)布的照片里，距離地球13000光年的星團(tuán)NGC 6791 清晰可見，Tres-2 恒星附近的星空也一覽無余，一張全景圖更將數(shù)百萬顆恒星收納在同一個(gè)畫面中，這是人類歷史上從未有過的廣闊視野。美國航天局指出，這批照片大致勾勒出未來三年多時(shí)間里的探測路線，為今后的作業(yè)提供方向指引，也成功測驗(yàn)了開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)作能力。

　　借助凌日現(xiàn)象找行星

　　3 月6 日美國東部時(shí)間22 時(shí)49 分，搭載開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的三角洲II 型火箭從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地成功升空，正式開啟美國航天局第10項(xiàng)太空探索發(fā)現(xiàn)計(jì)劃，在銀河系中尋找另一個(gè)與地球相似的世界。這是歷史上首個(gè)專門用于搜尋太陽系外類地行星的航天器，核心部分是一套高達(dá)95 兆像素的拍攝系統(tǒng)。它擁有迄今為止在太空應(yīng)用中，體積最大、最敏銳的光度計(jì)，能夠輕易探測出細(xì)微至0.01% 的亮度差異。如果開普勒望遠(yuǎn)鏡在太空中往地球上看，它將感應(yīng)到一個(gè)人從路燈下走過時(shí)導(dǎo)致的光線變化。這正是開普勒望遠(yuǎn)鏡的工作原理，它并不是在廣闊的宇宙中直接觀察，而是記錄行星的“凌日”現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)與地球的運(yùn)行軌道和大小都相似的星球。

　　太空中一顆行星在觀察者面前經(jīng)過其環(huán)繞恒星的現(xiàn)象，在天文學(xué)中被稱為“凌日”。在這過程中，行星如同一個(gè)黑點(diǎn)般緩慢地移過恒星。開普勒望遠(yuǎn)鏡的主要工作便是觀測這一現(xiàn)象，并在拍攝后將照片傳送回地球，為找到類地行星提供依據(jù)。當(dāng)某星球第一次“凌日”后，將被研究人員納入重點(diǎn)觀測范圍，開始等待下一次現(xiàn)象的重復(fù)發(fā)生，然后通過時(shí)間運(yùn)算得出它的運(yùn)行周期，預(yù)測出下一次“凌日”的發(fā)生。如果估計(jì)無誤，方能初步確定行星的存在，整個(gè)過程大致需要三年以上的時(shí)間。在這段時(shí)間里，開普勒將始終不間斷地同時(shí)觀察10 萬多顆恒星的亮度。所以，盡管正在運(yùn)行中的科羅特望遠(yuǎn)鏡(法國國家航天研究中心于2006 年10 月發(fā)射升空的空間望遠(yuǎn)鏡，主要用來對各種星體的深層結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并尋找新的行星系統(tǒng)——編注)也能夠探測“凌日”，但工作持續(xù)極限只能是150 天，更無法勝任尋找類地行星的任務(wù)。由于凌日現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較短，又必須同時(shí)觀察為數(shù)眾多的恒星，這就要求每隔幾小時(shí)就必須測量一次恒星的亮度。為確保視線在多年的工作中不受阻擾，研究人員還巧妙地將望遠(yuǎn)鏡安排在與地球相同的軌道上、與地球同速繞太陽運(yùn)行，避開太陽的遮擋。

　　在通過“凌日”確認(rèn)行星后，天文學(xué)家將根據(jù)“凌日”的深度和恒星的大小推算行星的體積；利用開普勒第三定律得出行星的軌道和質(zhì)量；然后再大致計(jì)算出地表溫度等信息，分析結(jié)果將被用來評定該行星是否有可能具備生存條件。“一旦我們掌握了足夠的資料，美國航天局會(huì)建造空間望遠(yuǎn)鏡，更進(jìn)一步地拍攝近距離照片，搜集大氣層中的元素及混合物，為是否有生命存在提供線索。”參與開普勒計(jì)劃的天文學(xué)家阿蘭·博斯說道，“有人說，這項(xiàng)目計(jì)劃開啟了天文學(xué)的黃金時(shí)代。在我看來，應(yīng)該是白金時(shí)代，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超越了前者。”

　　后開普勒時(shí)代

　　在開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)完成后，科學(xué)家們將解答地球是否獨(dú)一無二的問題。“這不僅僅是一項(xiàng)科學(xué)任務(wù)，更是具有跨時(shí)代意義的計(jì)劃。”美國航天局副行政官埃德·威勒表示，“它直面了千萬年來隱藏在人類基因秘密中的哲學(xué)命題，在茫茫的宇宙中，人類是否孤獨(dú)？”

　　天文學(xué)家們普遍認(rèn)為，類似地球的巖質(zhì)行星是普遍存在的，自1995 年以來，在太陽系的深處，就有超過300 顆行星被發(fā)現(xiàn)。它們中的絕大多數(shù)是類似木星的巨型星，由大量的氣體構(gòu)成。這些星球的發(fā)現(xiàn)證明了行星的分布規(guī)律，幫助研究人員確定了可居住帶的分布位置。如今，隨著天文科技的進(jìn)一步發(fā)展，更敏銳的探測器被送入太空，另一個(gè)地球完全有可能出現(xiàn)在人類眼前。在不久前，歐洲的卡羅特望遠(yuǎn)鏡便發(fā)現(xiàn)一顆與地球大小接近的行星，盡管研究表明，由于過于靠近恒星，運(yùn)轉(zhuǎn)周期只有20.5小時(shí)，地表溫度太高。但是，它的存在是更趨近目標(biāo)的參照，給科學(xué)家們增添了信心。

　　然而，這項(xiàng)計(jì)劃的結(jié)果也可能是一無所獲，對此，威廉·博魯克基說：“如果我們發(fā)現(xiàn)很多類似的星球，說明在我們的銀河系中，生命是一種普遍存在的形式，這也為生命的進(jìn)化提供了可能性。如果我們只發(fā)現(xiàn)了很少適宜居住的環(huán)境，甚至一無所獲，這的確是一個(gè)令人沮喪的結(jié)果，我們將退回珍貴的地球上，在提升研究能力后，再把探索的步伐邁向更遠(yuǎn)的宇宙深處。”

　　2009-04-30 總第 333 期