批量发现系外行星,开普勒望远镜咋这么“神”?

方框财经 2024-01-01 15:09:48

美国国家航空航天局2016年5月宣称宣布,开普勒太空望远镜一次性确认了1284颗太阳系外行星的存在,为人类探索宇宙、寻找“可生存外星”提供了更大潜力。

素有“行星神探”之称的开普勒太空望远镜截止2016年发现超过2300颗系外行星。到2018年已经累计发现2662颗系外行星。它是怎么做到的呢?

【“眨眼”捕捉行星】

总耗资6亿美元的开普勒太空望远镜于2009年3月发射升空,以德国著名天文学家约翰内斯·开普勒的名字命名,是世界上首个专门用于搜寻太阳系外类地行星的航天器。它绕太阳飞行,运行轨道与地球轨道基本重合,通过观测行星凌日现象,在天鹅座和天琴座的大约10万个恒星系中搜寻与地球类似的行星。

具体来说,开普勒太空望远镜每隔30分钟会同时监测约10万颗恒星亮度的变化,当某颗行星经过恒星表面、即发生行星“凌日”时,它就可观测到恒星因受行星遮挡所发生的细微亮度变化,即通过捕捉恒星的“眨眼”来判断行星的存在。

据美国航天局官网介绍,由于行星轨道和恒星类型不同,凌日现象大约会持续1小时至半天时间。每一段“眨眼”时间,就是开普勒望远镜的“捕猎”黄金期。

【“扫帚”新式搜索】

与恒星的光辉相比,行星凌日时的亮度变暗现象实在是微乎其微,也非常难观测。举例来说,一颗地球大小的行星掠过太阳大小的恒星时,产生的亮度变化只有百万分之八十四,这就像是要从数公里外看清一只跳蚤是否爬上了汽车前灯一样难。

开普勒太空望远镜主体大致呈圆筒状,直径2.7米,长4.7米。用于检测亮度变化的光度计由光圈为95厘米的望远镜、直径1.4米的主反射镜以及9500万像素的焦平面阵列传感器组成。

光线射入望远镜后,从主反射镜反射到传感器上,每隔6秒钟,传感器会把检测到的光子数量记录并上传至望远镜内的计算机,以便存储和初步分析。这些光子数据每个月会传回地球一次。

自30多年前人类发现首颗太阳系外行星以来,科学家通常通过一一分析确认的方法来验证疑似行星,这是一项费时费力的工作。而最新的研究方法,是基于一种能同时应用于多颗候选行星的新型统计分析方法,计算每个候选者为行星的百分比概率,概率超过99%被认定为行星。

美国国家航空航天局研究人员打了一个比喻:候选行星就类似丢在地上的面包屑,以前是一颗一颗捡起来,新的方法是用扫帚把它们扫起来,结果就是科学家可以利用开普勒望远镜的数据一次性发现一大群系外行星。

【“老兵”超期服役】

按美国航天局原定计划,开普勒太空望远镜服役期为3年半,也就是到2012年就会退役,但实际上它从2009年工作至2018年,它在太空中运行达到9年有余,属超期服役。

其间,这个“老兵”也曾经历数次危机,但都有惊无险。在2013年,因4个反应轮中的两个出现故障,开普勒太空望远镜被宣布“死亡”。反应轮主要用于调整望远镜的姿态。2014年,科学家用太阳光子产生的压力作为一个“虚拟反应轮”,让这台太空望远镜得以重生。

在2016年开普勒望远镜再次进入紧急模式,仅维持最低限度运行能力,经科学家努力才恢复正常。它现在位于近1.2亿公里以外的太空。科学家说,让开普勒维持正常运行已经变得太困难。

美国航天局在2018年已经发射了一台搜寻行星的天文设备,来继承开普勒望远镜的工作。

开普勒太空望远镜的继任者是2018年4月发射升空的“凌日系外行星勘测卫星”,简称“苔丝”,其在开普勒发现的基础上,利用4台先进相机扫描超过20万颗太阳系附近的明亮恒星,以寻找围绕它们公转的行星及其上可能的生命迹象。

为何要持续探索太空?美国航天局首席科学家埃伦·斯托凡说:“在宇宙中的某个地方,类似我们太阳的某颗恒星的周围,我们或将最终找到又一个地球。”这些发现可能在未来成为人类新的家园。

2022年4月,中国科学家将公布首个系外行星探测任务的详细计划。按照计划,这项名为“地球2.0”的任务将于2026年启动,旨在调查银河系内太阳系外的行星,目的是找到第一颗在类日恒星宜居区内活动的类地行星。天文学家认为,这样一颗“地球2.0”行星将具备适合液态水(甚至生命)存在的条件。

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