喜获新生的“开普勒”

[ 录入者:champagnecat | 时间:2015-03-10 21:21:44 | 作者:京晶 译 | 来源:Astronomy | 浏览:2984次 ]
作者:C. Renee James  原文来自:Astronomy   Posted:2015年1月刊
编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)

2014年秋,K2的第2期观测活动主要是观测天蝎座所在的天区。(图片来源:天蝎座:BILL AND SALLY FUETCHER)

2013年5月14日,“开普勒”项目组科学家Natalie Batalha正与她的好友、美国宇航局通讯部主任Michele Johnson一起庆祝她的生日。他们刚坐下,准备用午餐,Johnson的手机就响了。

“那不是个好消息,”Batalha回忆说。“开普勒”的四个反作用轮里又有一个出故障了,这是第二个失灵的轮子了。丧失了精准指向的能力,“开普勒”可能再也无法执行它的主要科学任务——搜寻系外行星了。Batalha感觉好像失去了一个亲密的朋友。

远在6千万公里外的“开普勒”没有办法克制住自己不翻筋斗。若是项目组成员意志不够坚定,他们恐怕就因此放弃“开普勒”了。但他们没有这么做,反而找太阳来帮忙。

就像在指尖放一根铅笔并使其保持平衡一样,美国宇航局也把一瘸一拐的“开普勒”摆放到一个完美的位置,让入射的太阳光子可以持久地往正确的方向上对其施加作用力。如此一来,太阳辐射压力就好比“开普勒”刚刚失去的第二个反向作用轮,能够帮助它稳住身形,让它在每次观测时都能连续数月对着一个天区观测而不改变指向。也是因为如此,“开普勒”每过83天就必须转动一下,以防止太阳光直射入望远镜。

经过长达一年多时间的停歇,“开普勒”复工了。美国宇航局把获得新生的“开普勒”项目命名为“K2”项目。


警报提示

50多年前,Bill Borucki进入美国宇航局,为阿波罗项目研制隔热罩。他的远见之明使搜寻其它恒星周围的类地行星成为可行的现实。他认为,如果一个遥远的行星系统刚好位于我们的视线方向,当类地行星从母星面前横穿而过时,母星的亮度会因为受到行星的遮挡而有所减弱。没人怀疑这种掩食的可能性。只是当时的技术根本探测不到如此微小的光变信号。

经过几十年的发展,观测技术才追赶上Borucki的梦想,此外,天文学家也需要为此提前热热身。最终的发展结果是研制一台可以观测广阔天区并同步测量其内数千颗恒星的细微亮度变化。由此,天文学家就能对系外行星进行普查统计。当Borucki被任命为“开普勒”的首席科学家时,他那搜寻系外行星的梦想马上就要实现了。

“开普勒”的首席科学家Bill Borucki在2010年美国宇航局总部举行的新闻发布会上讲话。(图片来源:NASA/PAUL E. ALERS)

2009年3月6日,他和团队成员一起热切地注视着这个极其敏锐的探测器发射升空。经过几轮测试,“开普勒”在同年5月12日开始采集科学数据。在波尔航天公司的工程师们的努力下,这个斥资6亿美元打造的项目良好运转了4年。可第5个年头开始不过2天,“开普勒”的第二个反向作用轮便出了故障。项目工程师和天文学家都觉得这个故障出现的时间颇具几分幽默性的讽刺意味。

在反向作用轮失灵后随即召开的美国宇航局新闻发布会上,Borucki说道:“再干4年的美梦化为了泡影。但我们已经获得了不错的成果。”

这些成果包括大约1000个已得到证认的系外行星,4千多个行星候选者,还有2千多个掩食双星。

几十年前,想象宇宙中其它恒星身边也有类地行星在绕转还只是科幻小说里才有的内容。即便此后,科学家在其它主序恒星的周围发现了行星,它们之中也没有几个与地球相似。绝大多数系外行星常常被叫做“炽热木星”——与母星靠得很近的气态巨行星。真正的地球双胞胎还从未被发现过,尽管如此,“开普勒”找到的系外行星已经算是与地球最接近的了。

“开普勒”的观测数据里还富含有大量有关变星、脉动恒星及一众珍稀恒星的信息。这些恒星全部位于天琴座和天鹅座中“开普勒”原定的观测视场内。平均来讲,在这个不错的视场里,拥有能被探测到的系外行星的恒星据信有15万颗。美国宇航局之所以选择这一区域,部分原因是它位于黄道带外(黄道带是地球围绕太阳公转形成的带状区域),这样一来,“开普勒”便能免遭太阳烈焰的荼毒了。

这就好比永远盯着“宇宙的”郊区看,但却是对系外行星进行普查的最可靠的方法了。不幸的是,在反作用轮坏掉后,这些区域也就观测不成了。


故障与反应

类地行星的搜寻工作无论在光度测量、还是指向方面都需要极大的耐心和高精准度。为此,“开普勒”需要三个反作用轮帮助自己在沿三个旋转轴的方向上都保持稳定。这些轮子坚固又沉重,每个轮子的大小和形状都好似一顶大礼帽。它们安装在探测器外部,在一个低阻尼轴承上飞快转动。当它们朝着某一个方向旋转时,作为回应,“开普勒”就会朝与之相对的方向缓慢转动。

反作用轮的一个好处是,它们是由“开普勒”的太阳能板驱动的。因此,天文学家不必动用探测器本身宝贵而有限的能源就能调整它的位置。反作用轮稳定探测器的原理与自行车车轮不停旋转能够保持车身平衡的道理相同。试一试让静止的自行车保持平衡,你就能完全理解这些轮子对“开普勒”的重要性了。

波尔航天公司的工作人员正在组装“开普勒”。位于图中部的是探测器的4个反作用轮中的2个。(图片来源:BALL AEROSPACE)

运转了3年后,“开普勒”的一个反作用轮——2号轮——失灵了。虽然这不免让人失望,但还不算是致命的故障。波尔航天公司在三个转动方向上仍然拥有控制能力,但却没有备用轮子了。与近地的哈勃空间望远镜不同,“开普勒”离我们太远(轨道周期为372.5天),无法派宇航员去维修。“开普勒”项目组只能祈祷不要再有反作用轮坏掉了。

在第二个反作用轮出故障前几个月,当时的项目主管Roger Hunter就承认:“4号反作用轮有点不听使唤。”“开普勒”每周向波尔航天公司的飞行控制中心报告二次自身的健康状况。4号反作用轮频繁出现不稳定的阻力信号,而且时有时无。

2013年5月14日,“开普勒”进入了另一种安全模式——一种自我保护状态,它把自己的太阳能板朝向太阳,同时静候地球方面发来的指令——大家立刻就怀疑是4号反作用轮出了问题。轮子已经处于停顿状态了,它的驱动马达想让轮子转动起来却徒劳无功。而且也没有异常摩擦出现。这真是飞来横祸。

在这张“开普勒”部件说明图中,我们可以看到4个反作用轮中的2个。2013年5月14日,4号反作用轮失灵。这些轮子对控制探测器的指向精度至关重要。(图片来源:BALL AEROSPACE)

天文学家对“开普勒”的“死亡”哀叹不已。即便美国宇航局官员们说这个项目或许还未结束,不少人也认为探测器再也无法完成原定工作了。似乎,项目的主要科学探索目标——寻找类地行星出现的概率——已宣告结束。

受威斯坦·休·奥登(美国诗人)的《葬礼蓝调》启发,著名的行星猎手、美国加利福尼亚大学伯克利分校的Geoff Marcy甚至为“开普勒”写了一首悼念诗。其中一部分如此写道:

让所有的钟表停摆,切断网络,
丢给狗儿一块美味的骨头,让它停止吠叫,
钢琴静默,鼓声低沉,
抬出灵柩,让哀悼者前来,
让飞机在夜空中盘旋,
在天鹅座方向写下悼唁:“开普勒”已经死去。

不过,美国宇航局早在设计之初就预料到会有这么一天。一旦出现这种情况,“开普勒”的推进器便担负起保持机身稳定的责任。所以,“开普勒”依然可以平稳转动,好与地面保持联络。

如果你的多布森望远镜也如此旋转,还不会对观测造成多大困难。只要让你的头随目镜同步转动就行了。“可’开普勒’无法生成点源像,而是划出弧线。”“开普勒”项目经理John Troeltzsch解释道。点源像对于测量亮度的微小变化至关重要。

“开普勒”的焦平面由42个CCD排列组成。这些CCD共同工作,能够生成一幅9千5百万像素的图像。(图片来源:NASA/BALL AEROSPACE)


双轮操控

连续几周,美国宇航局不停地向“开普勒”发出指令,试图让那两个一动不动的轮子重新动起来。虽然最后轮子又开始转动了,但轮子内部的摩擦阻力很大,致使“开普勒”振动不止,根本无法采集科学数据。2013年8月,美国宇航局终于宣布尝试失败。探测器的数据采集工作正式结束。不过,这并不意谓着他们完全放弃了“开普勒”。

工程师们意识到,如果操作得当,“开普勒”可以把太阳光的辐射压当成第三个反作用轮使用。太阳的辐射压力与诡谲多变的高速粒子流——太阳风截然不同,它对“开普勒”的作用微乎其微——与落在桌子上的一只苍蝇给桌子带来的压力大小差不多。虽然微小,从原则上讲,这个持续的作用力却能让“开普勒”在“太阳钢丝绳”上勉强保持平衡。

太阳光对“开普勒”施加恒定的压 力。虽然先后有2个反作用轮失灵,工程师们还是想出了一个重新控制探测器的方法,利用微弱的太阳光压使探测器保持精妙地平衡。现在,“开普勒”恢复了稳 定,几乎能像从前一样继续采集图像数据了。在为期83天的观测时间里,它将监控一个特定天区。此后,美国宇航局必须让探测器掉转回头,重新开始观测,以免望远镜“直视”太阳。天文学家认为,这一系列观测活动将为“开普勒”带来全新的科学探索内容。(图片来源:ASTRONOMY:ROEN KELLY, AFTER NASA AMES/W. STENZEL)

利用太阳意谓着“开普勒”需要横躺着,看向黄道带内的天体。最节能的设计便是让“开普勒”的指向自始至终与太阳所在方向保持垂直。如此一来,借助颇具创意的推进器操控,天文学家便能挤出观测时间,安排一系列以83天为期的观测活动。虽然这再不是那种为期整整4年的观测,但也足以用来搜寻短暂的系外行星掩食信号,不仅如此,还足够探测几十个其它的天文事件了。

“波尔航天公司的工程师们真令人惊奇,”Batalha回忆说。他们找到了帮“开普勒”定向的最佳方法,并与天文学家一起检验这个新方案是否能让科学家进行高质量的科学研究工作。

“开普勒”客座观测项目主管Martin Still解释说:“我们每周、每个月都会开会讨论,并把我们的科学期望修订得越来越高。如今,我们已经拥有了一个能够达到同等光学测量精度的观测项目了。只不过,它的观测天区是沿黄道带分布的。”

现在,从规模上讲,“开普勒”已不再局限于一个研究领域,而是涉及诸如年轻恒星、活跃恒星、星系、恒星形成区及更多的研究课题。它那获取高质量数据的能力激起了天文学家的兴趣。在短短几个月里,研究人员就向这个双轮探测器提交了42份科学研究项目提案。

“寻找终极答案?”“开普勒”项目组采用格拉斯·亚当斯(英国著名作家)的经典说话方式开玩笑说。如果经费不再话下,这当然是可能的。随着“开普勒”的“死亡”,项目的运行经费截止到2014年10月1日。K2项目必须以书面形式展现自己的吸引力,证明自己值得美国宇航局继续资助。2014年春,项目组向美国宇航局项目运行高级评审委员会提交了项目建议书。“开普勒”的命运就掌握在他们手中。

即便“开普勒”声名在外,要想重获资助也不是唾手可得的事。K2必须与其它8个老项目竞争。

“当前政府对科研经费的削减对国内空间探测器的运行影响甚大。高级评审委员会认为,如果找不到其它资金来弥补预计的科研经费短缺,美国在空间探索方面的领先地位将面临无法恢复的损失。”评审最终报告如此写道。

在“开普勒”停止观测时,项目的年度经费已经削减到1800万美元。最终,美国宇航局通过了K2项目并每年投给它1千万美元。这笔钱还不足“开普勒”项目经理申请的经费的十分之一。

与此同时,项目第一阶段的观测数据分析工作仍在进行,每年需要800万美元的开销。“其实,我们正在结束’开普勒’项目,而运行K2项目的开销与继续进行原项目的开销差不多。”美国宇航局“开普勒”项目经理Charlie Sobeck这样说道。

有了经费支持,K2已经轻松不少。2014年9月,美国宇航局更是对外界宣布说,对“开普勒”能源重新评估的结果表明,它的能源比预计的多25%,足够支持其工作到2017年甚至更长时间。

K2打算一直工作到能源用尽的那一天为止。


为各个领域都做一些贡献

如果再无意外发生,K2将把填补多个天体物理研究领域的空白当作自己的工作目标。2014年春, 工程师们进行了一次试运行——第0期观测活动。到2014年年底,前2期科学探索已然完成。K2项目组成员高兴地报告说,虽然改变了观测天区,探测器测量光度微小变化的能力却没有降低多少。

Batalha解释说:“让我们来想象一下纽约市最高的摩天大楼。现在夜幕低垂,楼里每个房间都有人,也都开着灯。这时,有一个人走到窗前,把窗帘放下几厘米。探测器能够测量出由此引起的大楼总亮度的变化。”

随着“K2”转而观测黄道带,天文学家热衷于在以83天为一期的观测活动中获取9个天区的观测数据。图中黄线标示出黄道带。巴德窗则位于第9期活动的观测天区内。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER NASA)

各期活动观测的天区已经划定,但具体的观测目标仍然悬而未决。每个新视场都有至少1万个可供观测的天体。天文界鲜有机会能获得如此高精度的观测数据。现在,大约每过半年,天文学家们便有机会提出他们的观测项目申请,供K2选择。

在K2的帮助下,行星天文学家能够估算出,年龄在2百万年至与银河系年龄相当的星团里到底有多少个行星系统,这有助于填补我们对恒星系统演化方面的知识空白。

对那些想对双星系统的质量、直径和其它性质做精确测量的天文学家来说,K2的每期观测活动都会发现12个掩食双星系统。

探测器还将探索超新星。通过盯住105平方度的天区——这个面积是北斗七星勺部面积的2倍——每次不间歇地观测2个多月,K2几乎肯定能捕捉到几个在遥远星系里正在爆发的恒星。Still说:“我们预计每观测1000个星系就能发现1颗超新星。这绝对是独一无二的观测机会。在超新星变暗之前,K2便能对它们的宿主星系进行观测。不仅观测超新星的爆发过程,还跟踪它的亮度如何减退。”这正是目前天文学家手里缺少的关键信息。

最值得关注的是Ia型超新星——它们具有相同的光度峰值。这一特性使它们成为了量天尺。Still说:“Ia型超新星是宇宙的标准烛光,可以告诉我们宇宙有多大。但它的爆发机制仍有争议。没人真正知道它是什么。K2或许能告诉我们它不是什么。”

如果K2的观测能够持续进行到第9期,它的视场将接近银河系中心。这会吸引研究黑洞、X射线双星这类奇异天体的高能天文学家的注意。

在谈到可能进行的第9期观测时,Still说道:“我们将会直接对着巴德窗看”。那块天区里的尘埃稀少,相对来说,我们可以毫无遮挡地观察银河系核球。“我们希望(祈祷)我们能够全力搜寻在银心附近、围绕恒星转动的行星的微引力信号。”

在此类事件中,行星的引力场成为了背景光源的放大镜。K2的测量精度可以让天文学家统计温度较低的小质量行星和自由漂浮的行星的数量。

当然,这并不是说天文学家会因此而对“开普勒”的反作用轮失灵欣喜若狂。如果能够继续观测原定天区,说不定我们已经找到比较接近太阳系行星的系外行星了。它们不仅大小与地球更接近,公转周期又不会太短。“反作用轮失灵让许多、许多人感到失望。”Still说。

不过,无论面对什么情况,天文学家都会尽其所能充分利用。天气太糟?观测时间不对?选错观测天区?天文学家总是尽全力应对不由他们控制的事情。

“开普勒”项目组成员的坚定决心不仅体现了美国宇航局在项目执行方面的一贯传统,他们在赋予“开普勒”新生的过程中所展现出来的天才想法也让天文界同仁震惊不已。

“开普勒”发现的数千颗系外行星候选者已经让人类的宇宙观发生了革命性的改变。现在,随着“开普勒”把眼光转向黄道带,它将会给所有全新的科学研究领域带来类似的惊人发现。当然,如果一切运转正常的话。

在这幅艺术想象图中,人类发现的第一颗系外类地行星正在其母星的宜居区内运动。它位于距离地球500光年的天鹅座内。(图片来源:NASA AMES/SETI INSTITUTE/JPL-CALTECH)

Tags:系外行星 开普勒 K2

责任编辑:champagnecat

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