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开普勒空间望远镜重获新生
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C. Renee James 文 Shea 编译 |
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在进行了4年富有成效的行星搜寻工作之后，如果不出其他意外的话，开普勒空间望远镜即将变革天体物理学中的一些新领域。 2013年5月14日，开普勒空间望远镜又有一个反作用轮失灵。4个反作用轮中只剩下2个还在工作，但这无法稳定它的姿态。失去了精确指向能力，就意味着“开普勒”将不法再继续进行其搜寻太阳系外行星的主科学任务。 距离地球6 000万千米，再加上不由自主地翻滚，任何一个缺乏决心的团队都会放弃这架空间望远镜。但是，“开普勒”的团队却没有放弃，他们想出了一个方法，用太阳光来帮助维持指向。 就像在指尖上来平衡一支铅笔，科学家们精心调整了“开普勒”的姿态，使得照射到它的太阳光能够对它施加一个不变的外力。于是，太阳光压现在充当了“开普勒”失灵的第二个反作用轮，进而稳定住这架空间望远镜，让它能够在几个月的时间里对准天空中的某一片特定区域。为了防止阳光照射进望远镜，“开普勒”每83天就必须调整一次指向。 在沉寂了1年多之后，“开普勒”重回了天文学研究的第一线。美国宇航局（NASA）将这一重生称为K2任务。 凌星致暗 “开普勒”让在其他恒星周围发现地球大小的行星变成了现实。如果在一个遥远的恒星系统中有什么东西——例如一颗行星——恰好从恒星前方经过的话，它所导致的遮挡会使得星光的强度降低。没有人会怀疑这一点。只是过去要探测到这一光变是不可能的。 为了从技术上做到这一点，科学家花了几十年的时间。其结果是一架空前强大的空间望远镜，它可以观测一大片天区，同时测量数千颗恒星亮度的微小变化。由此让天文学家一跃进入了太阳系外行星大量涌现的时代。这就是开普勒空间望远镜。 “开普勒”于2009年3月6日发射。经过几轮测试之后，于当年5月12日开始收集科学数据。工程们认为，他们可以确保让这架耗资6亿美元的望远镜能正常工作4年的时间。然而，巧的是，就在4年刚过2天的时候，它的第二个反作用轮失灵了。 在这4年里，“开普勒”发现了约1 000颗已被证实的太阳系外行星，超过4 000个的行星候选体，以及2 000多对食双星。就在几十年前，谈论其他恒星周围存在类地行星还仍旧是科幻小说的范畴。即便在主序星周围发现了行星之后，这些行星中也只有少数属于类地行星。大多数被发现的是热类木星——极其靠近其宿主恒星的气态巨行星。虽然没有发现地球真正的孪生兄弟，但“开普勒”将其向前推进了一大步。其中，被称为开普勒-186f的行星距离我们太阳系约500光年，大小仅为地球的1.1倍。  “开普勒”最初观测的天区位于天琴座和天鹅座中，它所收集的有关变星和脉动恒星的观测数据也是一个丰饶的宝藏。这片天区包含了150 000颗普通的恒星，它们极有可能都拥有可以被探测到的行星。之所以选择这片远离黄道面——地球绕太阳公转的平面——的天区，是为了让“开普勒”能始终避免受到太阳光的干扰。 于是，“开普勒”可以一刻不停地监视这一天区中的恒星，是进行行星普查最可靠的办法。不幸的是，当反作用轮失灵之后，这一点就变得遥不可及了。 作用与反作用 寻找地球大小的行星需要在测光和指向上稳定和精度兼顾。为了维持三个自转轴的稳定，“开普勒”需要3个能正常运转的反作用轮。这些重且实心的轮子每一个的大小和形状都与礼帽差不多。它们安装在“开普勒”船身的外部，会在低摩擦轴承上高速转动。当它们在某个方向上旋转时，“开普勒”就会在另一个方向上缓慢自转。 反作用轮的优点之一是它们由“开普勒”的太阳能电池板供电，这让天文学家可以在不耗费宝贵且有限的燃料的情况下来调整它的指向。反作用轮为“开普勒”所提供的稳定性和转动的自行车轮子能让你保持平衡背后的机理是一样的。想要充分认识反作用轮的重要性，可以在保证安全的前提下试着在轮子不转时保持自行车的平衡。 当任务刚刚步入第3个年头，第2号反作用轮率先失灵，虽然令人沮丧，但并不致命。工程师们仍有3个可用的反作用轮，不过已没有备份。不同于就在地球附近的哈勃空间望远镜，“开普勒”位于一条周期为372.5天的环太阳轨道上，距离太远而无法派宇航员前去维修。所有人只能祈祷，希望另一个反作用轮千万别出问题。 然而，要发生的事情总是会发生。在故障发生前几个月，第4号反作用轮便一直不太“正常”。每周两次，“开普勒”会把它的健康状况发回飞行控制中心。第4号反作用轮常会时不时地显现出不稳定的摩擦信号。 2013年5月14日，“开普勒”突然进入了安全模式—— 一种保护状态，其太阳能电池板对准太阳，等待从地球发出的指令。每个人都立即怀疑，是不是第4号反作用轮出了问题。这个反作用轮已停止转动，但电机却拼命想让它转起来。这是一场致命的灾难。 天文学家们不得不感叹“开普勒”的死亡。尽管NASA官方表示，其任务可能并不会就此结束，但科学家都明白它再也无法像最初设计得那么运转了。看起来该任务搜寻地球大小行星的主要科学目标不得不就此告一段落。 不过NASA设计“开普勒”时已考虑到了这一天。它的推进器已开启来维持自身的稳定性。“开普勒”由此进入了一个稳定自转的状态，让它可以与地球保持通信。 如果你自家用的望远镜也出现这种情况的话，它不会是一个不可逾越的问题。你只需跟着目镜转动自己的头部即可。然而，随着“开普勒”的转动，它会在探测器上把星像拉成弧形，而不是呈点状。但对于测量亮度的微小变化来说，维持点状的星像却是至关重要的。 双轮平衡 NASA在数周的时间里通过发送指令想修复两个失灵的反作用轮。虽然最终开始了转动，但它们受到的摩擦过大，使得整个探测器都在振动，无法获得有用的科学数据。NASA最终在2013年8月宣布修复方案失败。该任务的数据采集工作正式结束。但是，这并不意味着不得不完全放弃“开普勒”。 工程师们发现，如果指向恰当，可以利用太阳光的力量来作为“开普勒”的第三个反作用轮。和太阳吹出的高速带电粒子风有着显著的不同，施加在船身上的阳光辐射压强非常微小——相当于在桌面上落一只苍蝇的压强。虽然微小，但原则上这一持续的作用力可以让摇晃的“开普勒”重新保持平衡。 要利用阳光就必须让它“躺”在黄道面上，所能观测的天体也受限于此。最节能的方式是“开普勒”与阳光入射的方向保持垂直，在创造性地利用推进器来辅助的情况下，天文学家可以安排出一系列长83天的观测区间。虽然不如最初的“开普勒”，但它足以用来探测短周期外星行星凌星以及其他许多天体物理事件。 在此，你不得不为工程师们拍手称奇。他们找出了调整这架望远镜指向的最佳方案，然后和天文学家一起，他们又对在这一方案之下是否仍可以进行科学观测做出了评估。每周工程师们和天文学家们都会召开会议，不断地修改对科学期望值。在阳光的辅助下，“开普勒”几乎能够做到相同的测光精度，但指向的则是黄道面上的不同位置。  [图片说明]：利用太阳光压来平衡“开普勒”指向的示意图。版权：NASA Ames/W. Stenzel。 和之前仅盯着一片天区不同，“开普勒”现在也可以用来观测年轻而活跃的恒星、星系、恒星形成区以及其他的天体。具有获得如此高质量数据的能力自然引起了天文学界的兴趣。短短几个月内，天文学家针对只有2个反作用轮的“开普勒”提交了42项科学提案。 一切问题都就此解决了？差不多，但是还缺少资金。随着“开普勒”任务的结束，其运营预算也在2014年10月1日归零。为了证明它仍然值得持续注资，“开普勒”团队在2014年春向NASA的运转任务资深评估委员会提交了一份提案报告。命运掌握在他们的手中。即便“开普勒”有口皆碑，但再次获得资金绝非理所当然。它要和其他8个已经完成了主要任务的项目一同竞争。 “开普勒”停止自主观测之前，它每年有1800万美元的预算。最终，NASA批准了其扩展任务的成本为每年1000万美元，比其管理团队要求的少了约10％。与此同时，对其第1阶段所采集数据的分析工作仍在进行中，每年需耗资约800万美元。 在确保了资金之后，“开普勒”解决了一大后顾之忧。2014年9月，NASA对其所剩燃料进行了重新评估，发现足以使用到2017年，甚至更长时间。 由此，“开普勒”彻底浴火重生。它新的使命则被称为K2任务。  [图片说明]：在K2任务中，“开普勒”将会观测的天区。版权：NASA Ames/JPL-Caltech/T Pyle。 人见人爱 如果一切顺利，K2将有望填补天体物理学中多个重大的空白。2014年春，工程师们进行了一次初步的工程试运行。2014年年底前则完成了两组科学观测。K2团队高兴地报告称，虽然其目标天区发生了很大的变化，但“开普勒”探测光强微小变化的能力并没有大幅削弱。想象一下上海夜晚的金茂大厦，每间房间都亮着灯。有个人走到窗口前，把窗帘放下了几厘米。“开普勒”可以测量出由此导致的亮度变化。 虽然所观测天区中的许多地方都已经被勘测过，但仍有许多目标值得一看。对于每一个易于观测的新天区，其中大约会包含有10 000个天体。天文学家是很少机会能通过这么精密仪器来获取数据。但现在，每过半年左右的时间，天文学家们就有机会提出自己的观测项目。 天文学家将利用K2任务对星团中的太阳系外行星进行一次普查，这些星团的年龄从仅200万年到和银河系的年龄相当不等，由此可以补充我们对恒星系统演化的认识。对于想精确测量双星系统质量、直径和其他特性的天文学家来说，在K2每次的观测中都会看到约十几颗新的食双星。 K2也会为有助于对超新星的研究。通过监视105平方度的天区——相当于北斗斗勺2倍大小的区域，在每次不间断超过2个月的时间里，K2几乎肯定会捕捉到几个遥远星系中的超新星爆发。“开普勒”每观测1000个星系，就有希望发现一颗超新星。这完全是独一无二的。K2将会观测超新星爆发前的星系、爆发中的超新星爆发事件以及逐渐变暗的超新星。目前还没有其他任何仪器设备能提供这些重要的信息。 令人特别感兴趣的是Ia型超新星，它们具有相同的最大亮度，这使其可以作为标准烛光，测量宇宙中的距离，告诉我们宇宙有多大。Ia型超新星的成因仍有很大的争议，K2的观测有望可以排除掉一些理论模型。  如果K2任务能坚持到第9次观测的话，它的视场将会指向银河系中心附近，这让研究黑洞和X射线双星的天文学家欣喜不已。在第9次观测中，“开普勒”将对准巴德窗口。这是一片无尘的天区，为观测银河系的核球提供了一个较为开阔视野。天文学家希望可以通过此次观测来寻找银心方向上恒星周围行星的微引力透镜效应。在这些微引力透镜事件中，行星的引力场会放大背景光源的亮度。K2的精度可以给让天文学家们更好地普查银河系中低温的小质量行星以及无宿主恒星的自由飘荡行星。 当然，这一切都不意味着天文学家们乐意看到“开普勒”的反作用轮出现故障。继续监视原来的天区将有助于寻找到更多类似于我们太阳系行星的行星——它们的大小与地球相似，轨道周期也更长。无法实现这一愿望令许多天文学家深感遗憾。 但天文学家们习惯于物尽其用。恶劣的天气？天文事件发生在不利于观测的时间？身处不利的地理位置？他们一直承受着不可抗拒因素的影响。尽管有着这一优良的传统，但当“开普勒”团队让它重获新生时，许多天文学家仍对此赞叹不已。 在发现了数以千计的行星候选体之后，“开普勒”已彻底改变了人类的宇宙视野。现在，作为一架把目光转向黄道的空间望远镜，如果一切顺利的话，在许多科学领域中它也有望带来新的惊喜。 |
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[Astronomy 2015年1月]
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2001-2015 火流星工作组制作
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