03.06 苔絲和開普勒太空望遠鏡怎樣尋找太陽系外行星?

洪良


美國國家航空航天局(NASA)於美國東部時間18日下午6點發射了一顆探測衛星“苔絲”,接棒已經在太空中飛行了9年的“開普勒”太空望遠鏡,繼續尋找太陽系外行星,期望發現可能孕育生命的“另一個地球”。

“苔絲”探測衛星

到目前為止,人類發現的大部分系外類地行星都是由“開普勒”太空望遠鏡找到的,它已發現了2600多顆系外行星,其中有十多顆處於生命宜居帶內,也就是說,那上面有可能孕育生命。

“苔絲”的全稱叫“凌日系外行星勘測衛星”,英文縮寫為“TESS”。它和“開普勒”太空望遠鏡一樣,都是用“凌日”法原理來探測系外行星的。

比如,“開普勒”太空望遠鏡於2009年3月6日發射升空,它攜帶了全球體積最大、靈敏度極高的光度計到太空中,其質量為350公斤。它有多靈敏?如果“開普勒”把鏡頭移向地球上的某一小鎮,就可以偵測到一個開著電筒走過的人!地球上夜裡一盞普通電燈開關後產生的光線變化,都可以被它捕捉到!

“開普勒”光度計內部結構

所謂“凌日”法探測系外行星,原理是這樣的:當行星從它的母恆星前面飛過時,會阻擋一部分母恆星的光,也就是行星“凌日”現象。監測到“凌日”現象的發生,就可以推斷這顆母恆星周圍存在行星。

更進一步,根據“凌日”現象發生的頻率和亮度變化的大小,科學家們就可以推定出這顆行星的軌道和大小等數據了。就好比說有一盞馬燈,有一隻蛾子圍著馬燈轉,從馬燈的光線變化和間隔頻率,就可以推算出這隻蛾子的大小和軌跡。

由於能長時間地監測目標,所以“開普勒”至少能看到3次軌道週期為一年的行星“凌日”。這是嚴格確認這些週期性事件所需的最少觀測次數,這樣就可以排除諸如恆星亮度自身漲落等干擾因素,確認這種亮度變化是由行星“凌日”造成的而不是由別的因素產生。

在遙遠的浩瀚宇宙中,這種由行星“凌日”造成的恆星光度變化是極其微弱的,但“開普勒”望遠鏡有著那靈敏的光度計,就可以捕捉到這種變化了!

當然,探測太陽系外行星還有其他一些方法,比如視向速度法、測量輻射等等。以前,大部分的太陽系外行星是通過“視向速度”法來發現的,它更有利於發現靠近其恆星的大行星,然而這種方法對於和地球質量相仿的低質量行星並不敏感。而用測量“凌日”法更適合發現像地球大小的星體。

“開普勒”已經在太空中工作了9年,它原定的任務期是三年半。2012年和2013年,“開普勒”望遠鏡相繼壞了兩個用於姿態控制的反作用飛輪,所以無法繼續提供精確的定位,完成搜尋使命。2014年,科學家們用太陽光子產生的壓力作為一個虛擬反應輪,成功重新控制瞭望遠鏡使其“復活”,並一直工作到今天。不過,經過了長達九年的飛行,“開普勒”太空望遠鏡上的燃料已經快要用盡了。美國宇航局計劃於數月內將其關閉。

“開普勒”太空望遠鏡

而現在,“苔絲”探測衛星已經發射升空,在經過數月複雜的變軌後,它將接替“開普勒”繼續尋找太陽系外行星。會不會有什麼新的驚喜,讓我們拭目以待。


洪良


人們尋找系外行星,主要想知道三個終極問題的答案。即:我們從哪裡來?我們是宇宙中孤獨的文明嗎?我們要到哪裡去?

這些問題是目前系外行星研究中,科學意義最強的領域。這其中包括行星起源、行星碰撞、橢圓軌道、混沌現象、外星人存在證據、外天空有無適合星際移民的環境等。

從1987年開始,美國就開始有計劃地搜尋太陽系外行星。此後,法國、英國、澳大利亞、智利、歐洲等國紛紛參與搜尋,並且取得了豐碩的成果。

由於技術水平的不斷提升,從2009年開始,美國再次發射了“開普勒望遠鏡”揭開了搜尋地外文明新的一頁,它攜帶了太空分光計,直接採用了“凌日法”對系外行星進行觀測搜尋。

凌日法觀測原理

“凌日法”的原理是:行星從恆星前方經過時,可觀察到恆星微弱的“變暗”過程,這是系外行星存在的間接證據。這就象地球上觀測金星凌日、水星凌日等現象一樣。

發現系外行星是非常困難的。由於行星並不發光,並且常常被淹沒在恆星強烈的光芒之中。就算是反射恆星的光芒,也非常的微弱,在遙遠的太空中幾乎不可見。所以,通過觀測恆星光芒的微弱變化,是確認系外行星存在的最好辦法之一。

開普勒太空望遠鏡

開普勒太空望遠鏡,口徑為0.95米,是世界上首個用於探測太陽系外類地行星的專用飛行器,在為期至少為3年半的任務期內,它將對天鵝座和天琴座大約10萬個恆星系統展開觀測。它自身攜帶了光度計裝備,通過直徑95釐米的透鏡,用來透過行星的“凌日”現象搜尋太陽系外類地行星。


“開普勒”望遠鏡並不在環繞地球的軌道上,而是追隨著地球一起繞日飛行,所以,地球並不會遮擋它的工作,也不會受到地球反射光線的干擾。

開普勒太空望遠鏡取得的主要成績是,發現首顆系外行星;發現質量和直徑都最小的系外行星;發現首個6行星系統;發現首個圍繞兩個太陽運行的行星;發現位於宜居帶中,圍繞一顆類太陽恆星運行的最小行星等等。在它穩定地運行四年多的時間裡,一共發現了4302顆系外潛在行星,其中有1284顆系外行星被確認(2016年5月NASA消息,具體數據網上有所不同)。

2013年,開普勒望遠鏡發生重大故障,由於無法調整觀測方向,每年觀測目標天體的數量只能維持在4到5個。

不過,開普勒衛星所發現的行星都非常遙遠,而“苔絲”將接過“開普勒”手中的接力棒,將發現離地球更近的行星。

凌日系外行星勘測衛星“苔絲”

為了能夠替換掉開普勒望遠鏡,美國航天局於4月18日再次發射了一顆新的探測:“凌日系外行星勘測衛星”,按英文縮寫簡稱為“苔絲”,就是為了尋找類似地球一樣的行星。

從它的全稱,我們知道,“苔絲”仍然是採取“凌日法”來觀測系外行星。

在十幾種觀沒方法中,徑向速度法和凌日光度法,是兩種主要的觀測方法。一個地球大小的行星“凌過”太陽大小的恆星時,僅造能造成恆星變暗0.008%,因此需要探測設備具有“火眼金睛”才可能看得清楚。

美宇航局計劃用兩年的時間,“苔絲”將掃描全天約85%的區域,雖然開普勒已經發現了眾多系外行星,但是無法發現掩藏在更強烈恆星光芒下的行星。同時對所發現的行星進行身份識別比對確認。

搜尋適合人類宜居地任重道遠。在此也期待著我國自己的搜尋計劃儘快展開,發射我們自己的搜尋望遠鏡。


史海探奇


靠“凌日”現象。

開普勒太空望遠鏡尾隨地球在太陽軌道上運行,既避免了陽光直射和地球漫射,也避免了重力對軌道的影響,觀測環境相對穩定。它的觀測區域位於天鵝座和天琴座一帶,9500萬像素的光度計負責收集天區內15萬顆恆星發出的星光,計算機每隔6分鐘讀出每個像素上收集到的星光數量,最後通過記錄凌日現象來判斷行星的存在。因為行星會繞著恆星旋轉,如果遙遠的恆星發出的光亮週期性變暗,便意味著該恆星周圍有行星經過遮擋住了光線,使光度計接受到的亮度信號較弱。通過判斷恆星光亮被遮擋的程度便能測出該恆星和行星之間的相對大小。


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