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10月30日，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)宣布，該機(jī)構(gòu)的“行星獵手”——開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡“光榮退休”。

出師大捷 發(fā)現(xiàn)銀河系中普遍存在的超級(jí)星球

2010年元旦剛過(guò)，美國(guó)華盛頓特區(qū)春寒料峭。來(lái)自全國(guó)各地的天文工作者、公眾，以及記者們齊聚在這里，等待NASA科學(xué)家比爾·博魯茨基(Bill Borucki)作關(guān)于開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)進(jìn)展的報(bào)告。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡于2009年3月升空。而比爾·博魯茨基算是它的“爸爸”。他在這次報(bào)告中提到，利用前43天的高精度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，剛升空9個(gè)月的開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡共發(fā)現(xiàn)了5顆系外行星，它們基本都是熱木星。這不能不說(shuō)是一個(gè)良好的開(kāi)端。然而，這已經(jīng)不是第一次發(fā)現(xiàn)熱木星了，帶給公眾和科學(xué)界的震撼遠(yuǎn)不如預(yù)期。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡并沒(méi)有讓大家失落很久。6個(gè)月之后，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡宣布發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)系外多行星系統(tǒng)——Kepler-9。更為神奇的是，行星Kepler-9b和Kepler-9c的軌道周期比接近2∶1，接近一種被稱(chēng)為“共振”的軌道構(gòu)型。在這種構(gòu)型下，兩顆行星相互作用強(qiáng)烈，其軌道周期變化可以高達(dá)一天。通過(guò)分析這種軌道周期變化，哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家馬特·赫蒙(Matt Holman)推算出了Kepler-9b和Kepler-9c的行星質(zhì)量。用馬特·赫蒙的原話(huà)說(shuō)就是后來(lái)所有通過(guò)周期變化分析行星質(zhì)量的研究，都是按照這篇文章的思路來(lái)開(kāi)展的。

NASA在2011年宣布發(fā)現(xiàn)的Kepler-11更是一個(gè)里程碑式的發(fā)現(xiàn)。Kepler-11有6顆行星，其中5顆行星都位于太陽(yáng)系水星軌道以?xún)?nèi)。要知道，太陽(yáng)系水星軌道以?xún)?nèi)可是什么都沒(méi)有。更為神奇的是，這6顆行星的大小，都基本介于地球和海王星之間。這類(lèi)行星被稱(chēng)為超級(jí)地球，或者迷你海王星。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡有很多令人驚異的發(fā)現(xiàn)，而其中最令人驚異的莫過(guò)于發(fā)現(xiàn)Kepler-11這類(lèi)超級(jí)地球在銀河系中是一種非常普遍的存在，30%—50%的恒星周?chē)?，都有超?jí)地球的存在。然而我們太陽(yáng)系并沒(méi)有這種天體，太陽(yáng)系里沒(méi)有任何天體比地球大，同時(shí)比天王星小。

生死涅槃靠太陽(yáng)光壓“續(xù)命”創(chuàng)造新輝煌

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的巨大成功，讓人們期待它有更多產(chǎn)出。

然而，命運(yùn)無(wú)常。2013年5月，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡在運(yùn)行了四年半之后，兩個(gè)動(dòng)力輪連續(xù)失效，僅靠剩余的兩個(gè)動(dòng)力輪已無(wú)法完成系外行星探測(cè)所需的高精度觀(guān)測(cè)。這就是小學(xué)就學(xué)到的三點(diǎn)更穩(wěn)定的知識(shí)在現(xiàn)實(shí)中殘酷的應(yīng)用。

這該怎么辦?

成功如開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的空間項(xiàng)目，即便是就此退役，也是一個(gè)時(shí)代的榮光。然而航天工程師道格·維墨爾(Doug Wiemer)把這個(gè)雖敗猶榮的悲情事故寫(xiě)成了挽狂瀾于既倒、扶大廈之將傾的傳奇故事。

道格·維墨爾提出，我們可以讓開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的太陽(yáng)帆板始終對(duì)著太陽(yáng)，利用太陽(yáng)對(duì)帆板的輻射光壓充當(dāng)一個(gè)動(dòng)力輪，和另兩個(gè)還在工作的動(dòng)力輪一起來(lái)保持觀(guān)測(cè)平臺(tái)穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)背對(duì)太陽(yáng)的黃道12宮繼續(xù)進(jìn)行高精度的系外行星探測(cè)。

這個(gè)聽(tīng)起來(lái)相當(dāng)科幻的想法，最終將一個(gè)近乎終結(jié)的項(xiàng)目，推向了新的輝煌。

經(jīng)過(guò)維修重新投入工作的望遠(yuǎn)鏡約每3個(gè)月變換一次視野，人們將這一階段的觀(guān)測(cè)任務(wù)稱(chēng)為K2任務(wù)。而K2任務(wù)后來(lái)所做到的，并不僅僅是多發(fā)現(xiàn)了幾百顆系外行星這么簡(jiǎn)單。它干了一部分開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡之前恰好不能干的活，又搶先干了一部分今年4月發(fā)射的凌日系外行星勘探衛(wèi)星(TESS)想干的活。

通過(guò)凌星法對(duì)系外行星的搜索可以分成兩類(lèi)。一類(lèi)是以開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡為代表的深場(chǎng)(Deep Field)搜索，也就是盯著天空一塊不大的區(qū)域看很多年。這類(lèi)搜索的好處是，可以發(fā)現(xiàn)很多長(zhǎng)周期的行星，可以探測(cè)到非常小的行星，還可以通過(guò)研究軌道周期變化，測(cè)量行星質(zhì)量。但這類(lèi)搜索的缺點(diǎn)是，由于全天亮星有限，分布稀疏，如果只盯著一個(gè)地方看，發(fā)現(xiàn)的東西大多數(shù)都很暗淡，很難利用地面現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行后續(xù)研究。這也是為什么我們對(duì)那些奇怪的超級(jí)地球所知甚少的原因。

另一類(lèi)是以TESS為代表的廣場(chǎng)(Wide Field)搜索。與深場(chǎng)搜索相反的是，這類(lèi)搜索對(duì)全天進(jìn)行大面積觀(guān)測(cè)，但是每一個(gè)區(qū)域并不會(huì)觀(guān)測(cè)很長(zhǎng)時(shí)間。這類(lèi)觀(guān)測(cè)的好處是會(huì)發(fā)現(xiàn)很多亮星周?chē)南低庑行牵梢詫?duì)其進(jìn)行深入的后續(xù)觀(guān)測(cè)研究。這類(lèi)觀(guān)測(cè)也有弊端——由于只在一個(gè)區(qū)域內(nèi)停留較短的時(shí)間，所以很難進(jìn)行需要長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)測(cè)的研究。

K2任務(wù)是一個(gè)深場(chǎng)和廣場(chǎng)的結(jié)合。由于K2任務(wù)需要不停變化指向，其觀(guān)測(cè)天區(qū)面積是開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡之前觀(guān)測(cè)天區(qū)的十幾倍，這讓我們?cè)赥ESS上天之前就觀(guān)測(cè)到了很多圍繞亮星的系外行星。我們可以很好地研究這些行星的質(zhì)量、組成、形成與演化。而K2在同一片天空的觀(guān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)又是TESS的3倍，能找到很多TESS找不到的長(zhǎng)周期行星。

偉大遺產(chǎn)拓寬人類(lèi)認(rèn)識(shí)行星的視野

在K2任務(wù)期間，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的表現(xiàn)一如既往地優(yōu)秀，使其觀(guān)測(cè)的恒星總數(shù)增加到超過(guò)50萬(wàn)顆，發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)一系列新的系外行星。如果K2任務(wù)代表著過(guò)去五年系外行星研究的皇冠，那么WASP-47b就是這顆皇冠上最閃耀的明珠。

WASP-47b是由地面望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的熱木星，又正好落于K2任務(wù)的天區(qū)之中。K2任務(wù)觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)這顆熱木星附近還有兩顆較小的行星。這一觀(guān)測(cè)結(jié)果直接改變了近10年來(lái)人們對(duì)熱木星形成演化的主流理解——熱木星并沒(méi)有我們想象的那么孤單。如果沒(méi)有K2任務(wù)，我們恐怕得等到2019年，才可能由TESS完成這個(gè)發(fā)現(xiàn)。從這個(gè)角度看，K2任務(wù)讓我們對(duì)系外行星的理解，提前了至少5年。

在凝望星空的9年時(shí)間里，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡共確認(rèn)了2662顆行星(截至2018年10月24日)，此外還發(fā)現(xiàn)了近2900顆待確認(rèn)的行星。“行星獵手”的稱(chēng)號(hào)實(shí)至名歸。開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡拓寬了我們認(rèn)識(shí)行星的視野，也帶給我們更多思考——在銀河系中普遍存在的超級(jí)地球到底是種什么行星?它們有濃密的大氣，還是像地球一樣由巖石構(gòu)成?對(duì)這些問(wèn)題我們知之甚少，留待開(kāi)普勒的繼任者們?nèi)デ蠼狻?作者王松虎，系耶魯大學(xué)天文系博士后)