“开普勒”：超越繁星
Eugenie Samuel Reich　文　Shea　编译
	发射于2009年旨在寻找太阳系外行星的开普勒空间望远镜正在不断地超出人们的预期。它是否即将会发现另一个地球呢？ 　　坐在美国哈佛史密松天体物理中心（CFA）的办公室里接受采访让平日理健谈的天文学家迪米塔尔·萨塞洛夫（Dimitar Sasselov）看上去很紧张。被问及他所参与的美国宇航局（NASA）开普勒空间望远镜所发现的太阳系外行星中他最衷爱哪一颗时，他犹豫不决，随后回避了整个问题。他说：“就我个人而言，我已经超越了这个问题。这不是一个，或者单个的行星。它是一个整体。” [图片说明]：开普勒空间望远镜发现的太阳系外行星的大小对比。版权：NASA。 　　萨塞洛夫有充足的理由来小心行事。他在2010年7月英国牛津召开的“技术、娱乐和设计”会议上所做的公众报告让他遭受了来自参与“开普勒”计划的同事的严厉指责。他们说，他不仅公布的可能行星数目超出了“开普勒”官方发布的数字，而且他不小心的用词导致了大量错误的新闻报道说发现了数百个其他的地球。 　　随着2011年2月初“开普勒”在2010年6月已经公布的306个候选体的基础上又公布了400个候选体，这一喧闹也成为了遥远的记忆。与之一起的是在这些候选体中确认出了一长串的外星行星（即太阳系外行星）。2011年1月在NASA网站上所公布的和2月初在《自然》杂志上发表的最新结果包括了一颗以极近的距离绕为其宿主恒星公转的岩质行星，其被光照到的一侧必定拥有一个高温的熔岩海；以及一个在周期为数十天的轨道上包含了多颗大型岩质或冰质行星的系统，这一公转周期仅比地球365天的绕转周期快了1个量级。“这非常令人激动，它是一类我们之前从未见到过的系统，”NASA艾姆斯研究中心的空间科学家、“开普勒”项目科学家杰克·利绍尔（Jack Lissauer）说，他同时也是《自然》杂志上所发表论文的第一作者。 　　然而，大多数的“开普勒”科学家仍然小心翼翼。通过观测大约150,000颗恒星的亮度中可能由于行星从其前方经过而造成的变暗现象，“开普勒”正在以超常的效率发现潜在的外星行星。但“开普勒”还没有发现另一个地球——轨道周期为几百天且位于宜居带中的小型岩质行星，宜居带里的行星表面可以有液态水存在进而可以承载生命。其根本原因是“开普勒”所探测到的光变只能反映出被观测行星的半径而非质量，这意味着它的密度和组成一般仍是未知的。 　　此外，“开普勒”的科学目标也并不是发现类地行星。相反，它意在估计拥有类地行星的类太阳恒星的比例——这一能大幅推进天文学家对行星系统如何形成认识的统计数字。NASA艾姆斯研究中心空间科学家、“开普勒”的首席科学家威廉·博勒基（William Borucki）说，确定哪些光变是行星而非食双星系统造成的花去了天文学家绝大部分的时间。他说，唯一的办法是笨办法：从虚假的信号中仔细地挑出真实的信号。 观测本底 　　在“开普勒”之前，发现外星行星的主导方法更倾向于发现巨行星，导致样本存在偏差。这一被称为视向速度或者多普勒光谱的方法通过探测由于恒星及其周围行星绕公共质心转动而导致的恒星谱线位移来搜寻外星行星。行星越大、靠宿主恒星越近，恒星朝向或者远离地球运动的速度就越快，也就更容易能探测到它谱线的移动。通过这一方法发现的几乎所有行星都比木星还要大且非常靠近其宿主恒星，有时它们的公转周期只有几天。 　　2000年则出现了另一种方法，当时CFA的天文学家戴维·夏博内（David Charbonneau）及其同事在美国国家大气研究中心外的停车场里灵光乍现，想到通过观测行星从恒星前方经过——凌星——来探测它们。几天内， 一个小组便进行了类似的观测。他们确认了一颗预言中的凌星行星HD 209458b，之前通过视向速度方法已经发现了它。 　　不久，仅通过凌星方法发现的外星行星开始涌现。这些早期的发现也只能发现较大且近的行星。因为它们相比类地行星能遮挡住其宿主恒星更大的面积，因此更容易被发现。但让科学家们更为兴奋的是，他们意识到原则上一架空间望远镜可以灵敏到能探测到类地轨道上类地行星的凌星——“开普勒”的想法就此诞生。 　　“开普勒”是一架直径0.95米的空间望远镜，可以通过监视星光的变化来探测外星行星。与大多数的地面望远镜以及法国空间局一次仅能监视目标数月的“科罗”行星探测器不同，“开普勒”会在3～4年里一直盯着同一片固定的天区。这一区域包含了天鹅座和天琴座中的150,000颗恒星。之所以选择这片天区是因为其中存在大量的类太阳恒星。专注于同一片天区使得“开普勒”即便无法确定出它们的质量和组成，但却能观测到在类地轨道上类地行星的3～4次凌星。 　　“开普勒”发射于2009年3月，2010年1月公布了其发现的首批几颗外星行星。“我们只是刮掉了最上面的奶油，”美国圣何塞州立大学大学的天文学家、“开普勒”科学小组的副组长娜塔莉·巴特勒（Natalie Batalha）说。那时，短暂的工作时间使得“开普勒”依然青睐极为靠近宿主恒星因而不可能位于宜居带中的巨行星。这其中包括了轨道周期在3.2天到4.9天不等的5颗巨行星。但几个月之后公布的306个行星候选体则讲述了不一样的故事。这些候选体中的大多数是海王星尺度或者更小的行星，另外有接近40颗的大小则小于地球的2倍。巴特勒估计，如果得到证实，这其中会有5颗行星位于其宿主恒星的宜居带中。 　　候选体行星被确认的过程蜿蜒曲折。每个月目标恒星的像素数据会从“开普勒”下载到NASA的艾姆斯研究中心，在那里这些数据会被转化成光变曲线——显示恒星亮度随时间变化的曲线。计算机软件会自动从光变曲线中标识出2,000～3,000个亮度下降的地方，随后它们会被送到一个由巴特勒领导的委员会。在被排除不是由于仪器噪音而造成的虚假信号之后，剩下的数据将会得到“开普勒天体”（KOI）的编号。“开普勒”任务科学家估计，50%的KOI是真实的行星，不过到目前为止306个KOI中只有15个得到了确认——这已经算上2月初在《自然》杂志上发表的结果。 　　排除虚假信号的最显然办法就是用另一种方法来探测这颗行星。现在参与到“开普勒”任务中的夏博内正在使用NASA对红外辐射敏感的斯皮策空间望远镜来对KOI做后续观测。它可以极为理想地排除掉一类被称为“混合光”的假信号。它是由于在视线方向上看到的一颗明亮恒星其实是由两颗暗弱的互相绕转的恒星组成所导致的，其中一颗恒星遮挡另一颗时就会发生亮度变化。夏博内说，对于“开普勒”而言，“混合光”看上去就像木星大小的行星凌星，但对于“斯皮策”来说却不是，因为它们在红外和可见光波段上会有极为不同的特性。 　　当某个候选体在一个包含有多颗行星的行星系统中时，“开普勒”数据本身就能用来确认它。例如，2010年科学家发现了一个具有两颗凌星行星的系统，不同行星所造成的凌星会以几乎规则的时间间隔出现。“当我们看到凌星的时刻在发生变化时，我们给予了这个系统更多的关注，”CFA的天体物理学家、“开普勒”团队成员马修·霍尔曼（Matthew Holman）说。这说明这些行星是真实的：如果它们之间存在引力相互作用，每次凌星的时刻就会变化多达几分钟。在一条快速的轨道上，这相当于地球绕太阳的公转周期每年会变化几个小时。被称为开普勒-9b和开普勒-9c的两颗新外星行星其半径大约是木星的0.8倍，轨道周期分别为19天和39天。通过对它们之间的引力相互作用建立模型，科学家计算发现它们的质量可能和土星相当。了解它们的质量和半径帮助天文学家估计出这两颗行星富含氢和氦，非常类似木星和土星这样的气态巨行星。 　　开普勒-9是首个发现有多颗凌星行星的系统。2011年2月初在《自然》杂志上则公布了第二个：开普勒-11，其中包含了多达6颗的凌星行星，它们的轨道周期分别为10天、13天、22天、31天、46天和118天，质量则从2.3个地球质量到超过300个地球质量不等。尽管最外部的4颗是气态巨行星，但靠里的2颗则是类似海王星的低温巨行星，或者它们可能是质量数倍于地球且具有岩、气混合组成的“超级地球”。利绍尔说，在同一个系统中发现6颗凌星行星令他们极为惊讶，进一步让他们吃惊的是发现其内部的行星靠得太近，再这样下去它们的轨道就会变得不稳定。“这是一个令人惊异的系统，”他说。 微小的效应 　　开普勒-11b到开普勒-11g紧跟着2010年1月公布的开普勒-10b的步伐。开普勒-10b是一颗以0.84天为周期围绕其宿主类太阳恒星公转的高密度行星。对于开普勒-10b，它不存在凌星时刻的变化，不过由于极为靠近宿主恒星，因此天文学家使用地面视向速度观测确认了它的存在，同时也定出了它的质量。这颗4.6个地球质量和1.4个地球半径的行星毫无疑问是一颗岩质行星。不过由于太靠近宿主恒星，它的一侧则会一直处于熔融状态。在仔细地研究其宿主恒星并分析了一年的数据之后，“开普勒”团队不仅发现了由于凌星造成的变暗，还发现了其明暗亮度变化与这颗行星的向阳侧或者背阳侧是否对着地球有关。巴特勒说，即便是如此微小的效应也是可探测的。它还证明，“开普勒”的观测可以带来意料之外的认识。“这是在我们的数据中首次发现岩质外星行星，”巴特勒说，“它是巨大的里程碑。” 　　“开普勒”任务可以探测外星行星，但无法确定它们的质量。一个例子是开普勒-9d，它是与开普勒-9b和开普勒-9c位于同一系统中的超级地球。CFA的天文学家吉列尔莫·托雷斯（Guillermo Torres）及其同时通过计算机模拟发现，食双星无法像一颗超级地球从开普勒-9前方穿过那样很好地和观测到的光变曲线相符。这是第一次通过可以用在其他任何“开普勒”候选体上的一般方法来验证一颗行星，哪怕它并没有显现出凌星时刻的变化或者是距离宿主恒星太远而无法使用视向速度方法来研究它。“行星的概率要高于假信号的概率，”托雷斯说，“这是一个统计上的论据。”这一方法也被用在了开普勒-11的第6个候选体开普勒-11g上。这颗轨道周期为118天的气态巨行星距离其他行星太远，其凌星时刻的变化过于微小而无法被观测到。 “开普勒”的馈赠 　　由于需要对类地轨道上的行星进行反复观测，因此在“开普勒”的科学家能了解宇宙中行星存在的概率前还需要花数年的时间。不过，这并不妨碍其他科学家对其进行初步的估计。例如，2000年一个由美国加州大学伯克利分校的天文学家安德鲁·霍华德（Andrew Howard）领导的小组把由视向速度方法得到行星尺度分布外推到小质量情况，预言“开普勒”会发现大约22%的恒星拥有地球大小的行星。 　　博勒基对此表示怀疑。“这是他们外推得到的结果，外推虽然算不上致命的问题，但也差不多了，”他说。但利绍尔则比较乐观。他说，最终视向速度方法得到的结果可以和凌星方法得到的相结合， 给出行星大小、质量和成分——从岩质地球到气态木星——的观测分布。反过来，这些数据对于天文学家了解整个银河系中行星系统的起源和演化而言是无价的。“它将开启新的科学，”利绍尔说。 　　巴特勒说，“开普勒”最令人憧憬的是它会给我们的下一代留下大量可以进一步研究的对象。“‘开普勒’所留下的这份遗产可以让人们享用上几十年，”她说。
[Nature 2011年2月2日]

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