开普勒如何寻找“地球兄弟”

开普勒如何寻找“地球兄弟”

“开普勒”光度计内部结构

诸葛士元

新闻背景

7月24日，美国航空航天局宣布，其“开普勒”空间望远镜发现了迄今为止与地球最为相似的太阳系外行星——开普勒-452b。

目前，人类已知的大部分系外类地行星都是由“开普勒”空间望远镜发现的，它已发现了4696个系外行星候选者，确认了1030颗系外行星，其中有12颗宜居带内的系外类地行星直径介于地球的1～2倍之间，它们都有可能与地球相似。那么，“开普勒”空间望远镜是如何寻找这些系外类地行星的呢？

1.寻找系外类地行星难在哪里

现在，人类已找到了三类太阳系外行星（气体巨星、短周期轨道上炽热的超级地球和冰巨星）大量存在的明显证据，面临的挑战就是要找到系外类地行星。

所谓类地行星，简单地说就是类似于地球的行星，它由岩石构成，围绕像太阳的恒星运行，可能孕育着生命，因而具有研究意义。比如，大小为地球的一半到两倍之间的类地行星，尤其是那些在恒星周围宜居带的类地行星，其表面可能有液态水的存在。

长期以来，人类一直在通过各种办法在太阳系外寻找类似地球的行星。但其面临的一大困难就是缺乏观测手段，因为在类似太阳系的遥远星系中，恒星和行星的距离往往较近，所以恒星发出的强烈光芒会掩盖行星，使地球上的天文望远镜观测不到。

其实，早在2009年3月3日以前，人类就已发现了342颗太阳系外行星，不过其中绝大多数属于类木行星，即它们是体积比较大、表面是气体、类似于木星的行星，据信其中没有一颗适宜生命存在。这样的结果主要是由于当时的探测方式和技术水平所决定的，但并不能说明太阳系外不存在类地行星或有生命存在且与地球大小相当的行星。

2.开普勒有“绝活儿”

2009年3月6日，美国发射了世界第一个专门用于寻找太阳系外类地行星的空间望远镜——“开普勒”。其“绝活”是携带了全球体积最大的光度计到太空中去，该装置能帮助搜寻太阳系外类地行星。

找到宜居行星只是寻找外星生命的第一步。如果发现许多类地行星，就意味着生命可能在银河系内普遍存在；如果没有发现或发现很少的类地行星，则表明地球可能是唯一的生命站。当时专家预计，“开普勒”可发现50颗以上的类地行星。

这次“开普勒”发现的开普勒-452b，位于距离地球1400光年的天鹅座，直径比地球大60％，“年龄”60亿岁，绕其恒星公转一圈是385天。虽然开普勒-452b的质量和组成尚未确定，但判断它是岩石星球的可能性要高于以往“开普勒”发现的其它行星。它围绕的母恒星也与太阳非常类似，其直径比太阳大10％，质量比太阳多4%，亮度要高10%～20％，连表面温度都一模一样，只是年长15亿岁。从开普勒-452b到这颗恒星的距离，也与地球到太阳的距离比较相近，并刚好处于“宜居带”中，即表面温度允许液态水存在。因此，开普勒-452b与地球相似指数高达98%。

其实，单就开普勒-452b来说，它并不是最像地球的太阳系外行星，因为2014年宣布发现的开普勒-186f，半径是地球的1.17倍，2015年年初宣布发现的开普勒-438b，半径更是只有地球的1.12倍。这两颗行星都处在各自恒星的宜居带内，也都比开普勒-452b更接近于地球的大小。只不过，这两颗行星所环绕的恒星都要比太阳小得多，也暗得多。而开普勒-452b所环绕的恒星非常类似于太阳。因此，如果把恒星也考虑进来的话，开普勒-452b确实称得上是“另一个地球”。

3. 测量“凌星”法优势更明显

太阳系外有多少个“地球”？直到现在也几乎没有答案，原因就在于目前的天文观测还不足以探测到这些“特殊”的行星。

目前，探测太阳系外行星常用方法有：

测量位置。它是用空间干涉仪精确地测量恒星的位置，因为当恒星周围存在行星时，会引起母恒星相对于远方背景的星象摆动。

测量辐射。它是直接测量行星的热辐射，其困难是行星的热辐射大多被恒星的辐射掩盖，要用光学干涉仪消除来自恒星的光，这才有可能获得来自该恒星附近的行星辐射源的辐射。

测量“凌星”。当行星从其母恒星前飞过时会阻挡一部分恒星的光，即出现行星“凌星”现象，这样就可确定这颗母恒星周围存在的行星，并根据“凌星”的间隔和亮度等确定行星的轨道、温度和大小等。这就像人们看到远处有一只亮着大灯的汽车，当一只小虫从汽车前经过时，可通过光线变化推断虫子的大小。

测量速度。因为恒星的“视向速度”会因围绕其运动的行星而变化。

以前，大部分的太阳系外行星是通过测量“视向速度”法来发现的，这种方法很有可能发现靠近其恒星的大行星，然而它对于和地球质量相仿的低质量行星并不敏感。在当今，用测量“凌星”法更适合发现像地球大小的星体，“开普勒”就是采用这种方法。

用“凌星”法搜寻太阳系外行星一般用3个参数来描述行星“凌星”的特征，即“凌星”的重现周期、“凌星”的间隔以及“凌星”时恒星亮度的相对变化量。根据“凌星”现象的周期性，能确定这颗恒星周围是否存在行星；根据行星“凌星”的间隔能计算出行星的轨道以及估计行星的温度；根据行星“凌星”时，恒星亮度变化的大小能确定行星的大小。

由于能长时间的监测目标，所以“开普勒”至少能看到3次轨道周期为一年的行星“凌星”。这是严格确认这些周期性事件所需的最少观测次数，由此可排除诸如恒星亮度自身涨落等干扰因素，证实星斑干扰的周期性和规律性。

4.可侦测到地球上一盏灯的关闭

耗资近6亿美元的“开普勒”空间望远镜设计寿命3.5年，探测银河系内的天鹅星座与天琴星座之间的一小块天区（10°角宽约20个满月的宇宙空间），通过检测其间10万多颗像太阳一样的恒星（其距离在586.8～2999.2光年之间）每半个小时的亮度变化，研究行星穿越其恒星面前时产生的“穿越”现象，就能有望寻找到围绕这些恒星周围的类地行星迹象，并描述它们的特征。之所以把观测区域选择在银河系中的天鹅座和天琴座一带，是因为天鹅座距离地球轨道(黄道)北部很远，太阳不会干扰“开普勒”的视线，有利于连续观测。此外，它也是银河系中拥有大量恒星的一个区域。

“开普勒”主体大致呈圆筒状，直径2.7米，长4.7米，质量约1000千克，设计寿命为3.5年。

其上的主要科学仪器是1台迄今世界最大、灵敏度极高的光度计，质量为350千克，功率为250瓦。用该光度计指向单一的一群恒星，就可以探测目标星球所发射出来的光子数量的细微变化，如果“开普勒”把镜头移向地球上的某一小镇，光度计可以侦测到一个开着电筒走过的人，换句话说，它可以发现地球上晚间一盏普通灯被关闭的光线变化。

“开普勒”观测的数据以连续的方式不间断地存储下来，每月向地球传回一次。现在，“开普勒”还发现了11颗直径小于地球2倍，且运行于系外宜居带内的疑似类地行星目标，它们需要进一步的后续确认。由此可见，随着“开普勒”的发现和研究工作的持续深入，太阳系外类地行星的发现数量，可能会呈井喷式增长。