漫话宜居星球探索(4)

漫话宜居星球探索（4）胡经国七、开普勒（Kepler）计划1、开普勒计划的由来与启动开普勒计划于30年前首次提出，但是直到1999年第一颗“凌日”星球HD209458b被发现不久，该项目才获得通过。

该计划之所以命名为“开普勒”，是为了纪念17世纪的德国天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）。

他在1609～1618年，提出了“开普勒三定律”。

欧洲第2艘自动转移飞行器，也将用他的名字命名。

在整个“开普勒计划”项目中，美国联合发射联盟公司负责完成具体发射；艾姆斯研究中心负责地面系统研发、任务操作以及科学数据分析；喷气推进实验室负责开普勒空间望远镜及其任务的研发；鲍尔航天科技公司负责研制“开普勒”并为任务操作提供支持。

据美国广播公司报道（2003），美国NASA（美国国家航空和宇宙航行局）已决定于2006年10月启动“开普勒计划”，向太空中发射一套最先进的行星探测系统。

“开普勒计划”主要研究员、美国哈佛·斯密森天体物理中心科学家萨塞罗夫，在接受采访时预测，一旦“开普勒计划”启动成功，4年之内人类至少可以发现10颗“类地球行星”。

萨塞罗夫称，天文学家们一般通过两种方法来寻找行星的踪迹。

第一种是“观察恒星摆动法”。

当一颗行星环绕恒星运动时，其引力作用会使恒星偏离中心，产生摆动。

第二种是“阴影观测法”，主要探测小行星的踪迹。

当太阳系外有一颗行星，穿过它围绕运转的恒星和地球上天文望远镜的中间时，理论上讲从天文望远镜中看到的恒星将会变暗，也就是说在恒星的光亮上会出现小影斑。

然而，在地球上使用“阴影观测法”寻找“第二地球”的成功几率有如摸彩。

为此，NASA决定于2006年10月正式启动“开普勒计划”，向太空中发射一枚专门检测银河系中行星穿越恒星时出现“阴影信号”的太空望远镜。

美国加利福尼亚大学天文学家格雷格·拉夫林说：“到目前为止，我们认为在所有新发现的银河系恒星系统中，有1/4的恒星系统可能存在着地球大小的行星，寻找到第二颗地球的概率非常之大。

”2、开普勒探测器及其发射开普来探测器将搭载口径为0.95米的测光斯密特望远镜，其视场可达105度，用以监视因行星“凌日”而导致的目标恒星的亮度变化。

该探测器星体设计寿命约为3.5年，预计于2009年发射。

该探测器运行轨道选择类似于斯必泽望远镜，是所谓的“Earth-trailing”的日心轨道，可以最大程度地避开太阳、地球以及月球的干扰，还能有效地减少探测器本身所受的力矩。

2009年，美国东部时间3月6日22时50分（北京时间7日11时50分），美国航空航天局用“德尔塔”－2火箭，发射了第一个专门用于寻找类地行星的空间望远镜－“开普勒”（Kepler）。

65分钟后，它进入了距地球大约721公里高的预定轨道，并将在这一轨道试运行2个月，随后正式开始执行探索任务。

3、类地行星的概念所谓类地行星是指类似于地球的行星。

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。

现在，人类找到了三类太阳系外行星大量存在的明显证据。

目前，科学家们的挑战是要找到类地行星，比如，大小为地球的一半到两倍之间的行星，尤其是那些在恒星周围宜居带内的行星；在该宜居带内，行星表面有液态水存在。

4、开普勒计划的任务开普勒计划（Kepler）旨在搜索太阳系外类地行星系统。

作为第一架有能力探测系外地球大小行星的探测器和NASA发现计划的一部分，开普勒的主要任务包括：①、测出在不同行星系统宜居带中类地行星的比例；②、确定这些行星的轨道特性分布；③、确定多星系统中行星的数目；④、确定轨道尺度、行星反照率大小、质量、性质以及短周期巨行星的密度；⑤、用其它手段在已知行星系统中进一步探索新的行星；⑥、确定行星系统中恒星的性质。

除此以外，开普勒计划还担负着为未来的“起源计划”铺路的重任，如确定行星系统中恒星的共性、探讨待测天区等。

另据介绍，开普勒计划的任务，是寻找与地球相似的星球，解答“地球是否是孤独的”的这个人类亘古以来就面临的难题，看看银河系中是否有宜居带或者其附近的数百个地球大小和比地球小的行星，即恒星宜居带中不太冷、不太热、存在液态水的行星，并确定银河系数千亿恒星中的一部分可能拥有这种行星。

简单地说，这项任务就是要找到我们所知道的生命有可能存在的地方。

这很有可能改变人类对宇宙的看法，有望从根本上改变人类对自身的认识。

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，当然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类地行星，则表明地球可能是唯一的生命行星。

专家预计，开普勒计划可发现50颗以上的类地行星。

5、美国首探类地行星美国航天局天体物理学部主任乔恩·莫尔斯认为，类地行星必然存在。

这类行星应当围绕着类似于太阳的恒星转动，距离不太远也不太近，其温度可保证星球表面存在液态水，这是生命存在的基本条件。

华盛顿卡内基学会的艾伦博士说，银河系约有三分之一类似太阳的恒星，有比地球大几倍的行星，比地球小的行星可能更多。

每颗类似太阳的恒星都有一颗行星围绕，这意味着银河系中可能有1000亿颗与地球同级别的行星。

其中，一部分行星位于含有液态水的“宜居带”。

自1995年以来，共发现了337颗围绕恒星转动的系外行星。

但是，它们全都比地球大很多，所处位置的条件也无法满足生命存在。

少数几颗行星所在的行星系统环境，类似于地球所在的太阳系。

许多发现的行星只是所谓的“热木星”，即只是在几天之内沿紧贴的热轨道绕其恒星运转的。

大多数行星都是根据所谓的摇摆定律发现的，即只要发现恒星周边轨道上有万有引力存在，就推论有相对应的行星存在。

行星距其恒星越近，万有引力越大，也就越容易被观测到。

另据报道，截至2009年3月3日，人类已发现了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于生命存在。

这样的结果，主要是由目前的探测方式和技术水平决定的，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。

据悉，目前已经发现的太阳系外行星总数达到了700余颗。

但是，由于定义“类地星球”的标准过窄，大多数行星都被排除在考虑范围之外。

因此，科学家呼吁放宽寻找类地行星的标准，以确保不错过一个发现地外文明的机会。

开普勒探测器将对大量的恒星进行探测，探究行星系统的结构和差异。

要达到这个目的，就必须对大量的恒星进行测量，以便确定在各种各样的恒星可居住地域内或附近陆地和较大行星的百分比；确定这些行星轨道形状及其大小的分布状态；估计在行星系统内有多少行星；运用其他技术识别每个已发现行星系统的附加成员；确定为行星系统提供地点的那些恒星的特性。

开普勒探测器最早发现的行星，很可能是所谓的“高温木星”。

这类行星让科学家们很感兴趣，原因是其尺寸与木星相当，但却处在与水星相当的轨道上。

再接下来很可能是“高温海王星”。

而最难探测、也最令人激动的当属与地球相类似的行星。

6、系外行星探测方法多种多样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。

⑴、系外行星探测常用方法目前，探测太阳系外行星常用方法有：①、天体测量天体测量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，将引起母恒星相对于远方背景的星象摆动。

②、辐射测量辐射测量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所掩盖，就如同在明亮的探照灯下去寻找一只萤火虫。

为了区别母恒星及其行星的热辐射，一般用光学干涉仪消除来自恒星的光，此后就有可能获得来自该恒星附近的行星辐射源的辐射。

③、“凌日”测量当行星从其母恒星前飞过时，会阻挡了一部分恒星的光，即出现行星“凌日”现象。

据此，就可确定这颗母恒星周围存在的行星，并可根据“凌日”的间隔和亮度等来确定行星的轨道、温度和大小等。

这就像人们看到远处有一只亮着头灯的汽车，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。

④、速度测量速度测量是沿着观测者和目标恒星之间的矢径测量恒星速度。

因为，恒星的“矢向速度”会因围绕其运行的行星而变化。

⑵、“凌日”测量的应用2006年12月27日欧洲发射的“科罗”（COROT）天文卫星，和2009年美国发射的“开普勒”，都是采用“凌日”测量方法来探测太阳系外行星的。

其中，前者已经发现了7颗“凌日”的行星。

但是，“开普勒”将围绕太阳旋转，而不是像“科罗”一样围绕地球旋转。

这意味着，它可能要花费更多的时间来搜寻目标行星的踪迹。

一般，用以下3个参数来描述行星“凌日”的特征，即：“凌日”的重现周期、“凌日”的间隔以及恒星亮度的相对变化量。

根据“凌日”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“凌日”时亮度变化的大小，能确定行星的大小；根据行星“凌日”的间隔，能计算出行星的轨道以及估计行星的温度。

“开普勒”探测行星的秘诀是：从地球方向上看，当恒星系统中的行星运行到“开普勒”与恒星之间时，由于行星遮挡了一部分恒星发出的光，会使“开普勒”光度计接收到的恒星亮度变弱，变化范围大约是5～40，连续大约2～16小时。

“开普勒”可根据一颗恒星亮度的周期性微弱变化，判断其周围可能存在行星，并推算出行星的大小等参数。

行星越大，遮挡的光线就越多。

所以，通过观测“凌日”的深度（恒星亮度减弱的程度），即可掌握光线变暗的程度，就可计算出行星的大小；通过测量“凌日”行星的公转周期，利用开普勒第三定律，就可大致计算出行星轨道大小。

不过，对于每颗行星需要至少观测到3次“凌日”，才能确定其轨道周期，并确定光线变暗不是由其它某种现象（比如该恒星上的耀斑）造成的。

若潜在的行星轨道周期很短（几天或几周），则意味着它距其母星非常近；而轨道周期很长（几年），则意味着它更接近于该恒星引力控制范围的边缘。

距离过近或过远，会使行星上过热或过冷，无法支持生命的出现和生存。

“开普勒”可以探测到的亮度微弱变化，可以小到十万分之一左右。

同时，在了解恒星的运行轨道大小和温度的基础上，可计算出行星特定的温度。

对这些基本情况的了解，将告诉人们某颗行星是否具有宜居性。

这一技术方法，在10年前就被科学家采用了。

并且，帮助天文学家发现了300多颗较大的行星。

而“开普勒”空间望远镜的特点，是把目标对准更小的行星，即像地球一般大小的宜居行星。

它们都围绕其母恒星运转。

7、“开普勒”得天独厚靠轨道耗资近6亿美元的“开普勒”空间望远镜，将在太空运行至少 3.5年。

探测银河系中天鹅星座与天琴星座之间的一小块天区（10度角宽约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光年到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，从而寻找围绕在这些恒星周围的类地行星迹象，并描述它们的特征。