□ 蔣 迅

到現(xiàn)在，已經(jīng)沒有人懷疑開普勒空間望遠鏡的成就了。到2012年11月，開普勒空間望遠鏡開機三年半，完成了預定的目標，轉(zhuǎn)而開始執(zhí)行下一個四年的探索計劃。開普勒小組宣布了新一批超過一千顆新發(fā)現(xiàn)的系外行星候選體，從而讓疑似系外行星的候選體目標總數(shù)達到了2321顆。但是，這個項目在申請立項時連續(xù)四次被拒，從1997年最初提出申請到最后2009年發(fā)射經(jīng)歷了十多年的時間。

開普勒空間望遠鏡的基本思想其實很簡單。讓我們先用日食來比喻。當月球飛到地球和太陽之間時，太陽的部分光線被擋住，到達地球的陽光就減少，這就是日食。有時月球把整個太陽都擋住了，地球上就會一片漆黑，這就是日全食。在太陽系中還有金星凌日現(xiàn)象。同樣的，當一顆地外行星飛過自己所環(huán)繞的恒星而處于地球和這顆恒星之間時，到達地球的光線也會減少。雖然這要求地球必須在地外行星軌道的平面上，但是由于有大量的恒星可以觀測，人們可以樂觀地認為可以捕捉到帶有行星的恒星，條件是有很多恒星事實上是有自己的行星，甚至有適合生命的行星。如果我們有辦法能檢測到這樣由于行星而造成的光線減弱的話，那我們就能證實地外行星的存在了。這個思想早在1971年由計算機科學家弗蘭克·羅森布拉特提出。他認為，可以在地面上設(shè)立三個裝置了感光耦合元件 (CCD) 的小型望遠鏡來同時觀測大量的星星。如果三架望遠鏡都觀測到某個恒星的微小亮度減弱的話，那我們就可以猜猜那里有行星存在了。特別遺憾的是，羅森布拉特當年晚些時候就在一次意外事故中身亡。他沒有來的及去傳播他的這個思想。直到1984年，美航宇局科學家威廉·博魯茨基和奧黛麗·薩默斯又重新研究了這個思想。他們認為，地外行星的凌日現(xiàn)象可以被高精度的測光儀器檢測到，而且可以把大口徑的望遠鏡設(shè)在太空中來避免很多在地面上不得不面對的麻煩。他們沒有想到的是，他們必須用16年的時間來證明這個思想是正確的。

開普勒空間望遠鏡以凌日法發(fā)現(xiàn)的“開普勒”9星系

開普勒空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)許多類地行星

雖然開普勒空間望遠鏡的基本思想很簡單，但是實踐起來其實極其困難。原因就在于它的精度要求實在太高了。它的高精度是個什么概念呢？假定我們要找的是一個地球大小的圍繞著我們的太陽大小的恒星的行星，而且這顆恒星距離我們有數(shù)光年之遙。那么這顆地外行星凌日事件所產(chǎn)生的恒星亮度減弱不到萬分之一。因此，必須能識別萬分之一以下的變化。好在在羅森布拉特提出用CCD技術(shù)之后的二十多年里，CCD技術(shù)取得了長足的進步。人們可以真的嘗試這個思路。1987年，博魯茨基和他的團隊在美國航宇局和美國國家標準技術(shù)研究所舉辦的一次研討會上介紹了他們開發(fā)高精度光度計的工作。此后，他們制造了幾個不同的樣機用于證實他們的思路。

1992年，當美國航宇局設(shè)立了“探索計劃”時，博魯茨基他們第一次提出了他們的項目。他們把這個項目稱為“地球大小的內(nèi)行星的頻率”(FRESIP)。但是這個項目被美國航宇局否決了。雖然他們的項目在科學價值上得到了一致好評，但沒人相信存在他們所要采用的技術(shù)。

1994年，當美國航宇局再次征集“探索計劃”的項目時，這個團隊再次遞交了這個項目。這一次，他們提出把衛(wèi)星放置在一個拉格朗日點上。理想狀態(tài)下，兩個同軌道物體以相同的周期旋轉(zhuǎn)，兩個天體的萬有引力與離心力在拉格朗日點平衡，使得衛(wèi)星與前兩個物體相對靜止。當然衛(wèi)星在這個位置上并不能做到完美的平衡，所以必須開動發(fā)動機做一些調(diào)整，而發(fā)動機和燃料都很昂貴。由于預算超過了“探索計劃”允許的限額，美國航宇局第二次否決了他們的項目。

1996年，這個團隊第三次提出了他們的項目。為了減少開支，他們把衛(wèi)星軌道從拉格朗日點換到了日心軌道上，而且提出了三個旨在減少開支的設(shè)計方案。同時，他們把項目改名為“開普勒”。這一次，美國航宇局對預算沒有再提出異議，但對他們的CCD技術(shù)提出質(zhì)疑。原來一年前，他們在硅谷以東的利克天文臺 (Lick Observatory) 上已經(jīng)測試了他們制造的CCD探測器。他們已經(jīng)得出結(jié)論，用這種探測器再加上用數(shù)學公式對數(shù)據(jù)做系統(tǒng)的修正，他們可以把精度提高到千分之一，從而滿足尋找類地行星的精度要求。但是項目評審人懷疑他們能否把這個系統(tǒng)全自動化。他們的結(jié)果是對一個固定的恒星進行的，但數(shù)據(jù)分析不是自動完成的。于是當面對數(shù)千個恒星的觀測數(shù)據(jù)時，自動的數(shù)據(jù)處理就成了關(guān)鍵。“造一個系統(tǒng)出來看看”，評審員寫道。

OK，那就造一個！他們在利克天文臺就真的造了一個自動光度計并把數(shù)據(jù)聯(lián)到埃姆斯研究中心的計算機系統(tǒng)上。這樣，從讀取數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)，他們有了一個自動的系統(tǒng)。

1988年，美國航宇局的“探索計劃”再次征集項目時，他們第四次提出了這個項目?，F(xiàn)在他們在科學上證明了項目的價值，技術(shù)上證明了項目的能力，數(shù)據(jù)上也實現(xiàn)了自動化。但該局還是否決了他們的申請，因為他們“沒有證明抗干擾的功能”。當衛(wèi)星在發(fā)射到了軌道上以后會有定位抖動和恒星變化等干擾，他們必須能在有干擾的情況下仍然保證得到同樣的精度。

可是他們不能在地面天文臺里做這樣的實驗，因為大氣層本身的波動干擾實在太大了。他們只好設(shè)計一個室內(nèi)的實驗設(shè)備：在一塊鐵板上扎出一些各種尺寸的小洞，從鐵板的后面加一個燈光源，這樣在鐵板的另一面看上去就像是星空了。實驗時讓鐵板震動起來以達到數(shù)據(jù)擾動的效果。人造星空是有了，他們還必須在這個人造星空里能夠讓“星星”的亮度發(fā)生萬分之八十四的變化。這也不是輕而易舉的事情。如果用一塊玻璃蓋住小洞的話，亮度只減少百分之八，距離要求還差一千倍。沒有現(xiàn)成的技術(shù)成果幫助他們。他們只好自己動手。經(jīng)過一番努力，他們終于取得了成功。他們證明了抗干擾的能力。

博魯茨基和同事利用超級計算機分析數(shù)據(jù)

2000年，他們第五次遞交了申請。2001年，他們的申請終于被批準了。這時候距離羅森布拉特提出這個概念已經(jīng)30年，距離博魯茨基重提這個概念也已經(jīng)16年，距離他的團隊第一次申請資助也已經(jīng)10年了。又經(jīng)過8年的時間，“開普勒空間望遠鏡”發(fā)射升空。這樣一個曾經(jīng)被認為不可思議的項目終于實現(xiàn)了。隨后的成功證明了這個思路是正確的。

本文不準備討論開普勒空間望遠鏡立項以后的事情，雖然那些故事也很精彩。我想說的是，為什么“開普勒空間望遠鏡”能有今天。我認為有兩個重要的因素。

第一，多虧了有這樣一位執(zhí)著的人：博魯茨基。

開普勒空間望遠鏡在天鵝座和天琴座內(nèi)觀測的視場

美航宇局科學家博魯茨基

博魯茨基可以說是一個鐵桿航天迷。他的童年是在威斯康星州的一個小鎮(zhèn)上長大的。他自小就對星空感興趣。至今仍清晰地記得他和伙伴們在新月的晚上數(shù)星星。他們一起制造安裝了照相機的望遠鏡，然后拍攝星系。在夏天，他們會騎自行車到附近的葉凱士天文臺去用那里的1米望遠鏡來觀測天象。大型望遠鏡能讓他看到自制的土望遠鏡看不到的東西，但他更陶醉于自己動手做。他說，“有趣的是按照自己的想法去做，這樣你才能理解它們是如何工作的”。他還會和小伙伴一起發(fā)射自制的小火箭。那里地廣人稀，火箭落下來時唯一可能傷及的是牲畜。每次發(fā)射時，他們就把當?shù)氐男÷窌簳r封掉?？諘绲拇蟮亟o了他們充分的自由。在學校里，他是學?？萍夹〗M的主席。有時候，他們否決了老師提出的研究題目，然后根據(jù)自己的興趣進行科學研究。小博魯茨基喜歡業(yè)余無線電發(fā)射，并自己動手做電子儀器和天線。他不但想跟世界各地的人聯(lián)系，甚至想跟外星人聯(lián)系。他們決定制造一個發(fā)射機去接通UFO。博魯茨基制作了一個紫外線發(fā)射機，其他同學制作了紅外線發(fā)射機、可見光發(fā)射機和地磁發(fā)射機。當然他們的實驗最后都沒有成功，但通過這些制作，他們鍛煉了動手能力和獨立自主的主動性。有時候，失敗也是一個人進步的必經(jīng)之路。博魯茨基在少年時代就明白了這個道理。高中畢業(yè)后，從小喜歡科學的他進入威斯康星大學學習物理。1960年和1962年，他分別獲得了物理學學士學位和碩士學位。在找工作的時候，他只申請了一個地方：NASA。從此以后一直在NASA工作，參與了包括阿波羅項目在內(nèi)得多個重要項目。正是在阿波羅項目里，他接觸到了光度測定。他意識到這很可能是尋找地外行星的一個新的方法。此后，他花了十多年的時間去制作各種光度測定儀器，終于確信了這個方法一定能成功。這是“開普勒空間望遠鏡”能有今天的第一個原因。

第二，有NASA的大力支持。

雖然NASA四次拒絕資助“開普勒空間望遠鏡”項目，但是NASA并不是對這個項目一推了之，而是一直在幫助博魯茨基的團隊創(chuàng)造條件，以便讓這個項目變得更成熟。早在1984年，NASA埃姆斯研究中心就出資舉辦高精確度測光研討會 。1988年又舉行了第二次研討會 。NASA總部出資，讓他們開發(fā)和測試硅光電二極管基礎(chǔ)上的多通道光度計 ，在國家統(tǒng)計局和埃姆斯研究中心進行的測試表明，二極管有非常高的精度，但要減少它的熱噪聲，需要將它冷卻到接近液氮的溫度。以后，NASA總部和埃姆斯研究中心又多次用小項目的方法資助了博魯茨基的團隊，使得他們可以建造概念儀器并進行實驗。埃姆斯研究中心提供了超級計算機系統(tǒng)，以便分析數(shù)據(jù)。在第三次否決這個項目的時候，NASA總部和埃姆斯研究中心出資讓他們造出一個自動光度計。可以想象，沒有NASA的大力資助，“開普勒空間望遠鏡”永遠是紙上談兵。

開普勒空間望遠鏡在銀河系中的探測范圍

現(xiàn)在，開普勒空間望遠鏡仍在默默地工作著。它的工作說起來有些過于簡單：每6秒鐘對同一個星區(qū)拍照一次。幾年來，這個團隊收集了越來越多的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)越多，發(fā)現(xiàn)的小行星越多，適于居住的行星也越多。人們就可以回答一個困擾科學家很久的問題：“有很多適合生命存在的‘地球’嗎”？如果答案是肯定的，那么生命就可能在另一個行星上存在。因此，人們可以考慮迎接新的挑戰(zhàn)：尋找地外生命。不知道下一個“博魯茨基”在哪里，不知道下一個“NASA”在哪里？

相關(guān)鏈接

來自開普勒空間望遠鏡的重要成果

2010年8月，科學家們首次發(fā)現(xiàn)一顆恒星周圍擁有1顆以上的行星發(fā)生凌星現(xiàn)象。“開普勒”9行星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)開啟了一扇機會之門，讓科學家們首次有機會通過觀察其各自凌星時間的間隔來研究行星之間的引力相互作用。這項強大的技術(shù)讓天文學家們在很多情況下可以直接借助開普勒望遠鏡的數(shù)據(jù)計算出這些行星的質(zhì)量，而不再依賴于后續(xù)的地基觀測。

2011年1月，開普勒小組宣布：發(fā)現(xiàn)確認無疑的首顆太陽系外巖石行星。這顆名為“開普勒”10b的行星質(zhì)量約為地球質(zhì)量的1.4倍，是迄今發(fā)現(xiàn)的直徑和質(zhì)量都最小的系外行星。而來自開普勒望遠鏡的數(shù)據(jù)仍將不斷揭示越來越小的系外行星目標，其中有一些大小和火星相仿，這告訴我們在銀河系中小質(zhì)量行星可能是普遍存在的。

2011年2月，科學家們宣布：利用開普勒望遠鏡數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)了“開普勒”11行星系統(tǒng)，這是一個非常擁擠而緊湊的行星系統(tǒng)，其中包括6顆比地球稍大的行星，所有都運行于軌道直徑小于金星公轉(zhuǎn)軌道的狹小空間區(qū)域內(nèi)。這些行星系統(tǒng)所展現(xiàn)出的緊湊軌道特征之前從未設(shè)想過。

2011年9月，開普勒望遠鏡的數(shù)據(jù)顯示一個圍繞兩顆太陽運行的行星，宛如35年前播出的星球大戰(zhàn)中塔圖因星球的場景，這顆被命名為“開普勒”16b行星的發(fā)現(xiàn)讓一度被認為是科幻一般的情景成為現(xiàn)實。自那以后科學家們又發(fā)現(xiàn)了6個圍繞雙星系統(tǒng)運行的系外行星系統(tǒng)，這一事實證明了一點，那就是行星可以形成于雙星系統(tǒng)周圍并長期穩(wěn)定存在。

2011年12月，開普勒小組宣布：他們發(fā)現(xiàn)首顆運行于宜居帶中的系外行星——“開普勒”22b，其質(zhì)量約為地球的2.4倍。這是迄今發(fā)現(xiàn)圍繞一顆類太陽恒星運行，并位于宜居帶之中的最小行星。這項發(fā)現(xiàn)預示著，我們距離找到另一顆地球的臨界點正越來越近。

2012年2月，開普勒小組宣布了新一批超過1000顆新發(fā)現(xiàn)的系外行星候選體，從而讓疑似系外行星的候選體目標總數(shù)達到了2321顆。這些數(shù)據(jù)延續(xù)了科學家們不斷接近發(fā)現(xiàn)更小、軌道周期更長的接近地球的系外行星的趨勢。這項結(jié)果中包括了數(shù)百個擁有多行星系統(tǒng)的恒星，顯示多行星系統(tǒng)是普遍存在的現(xiàn)象。