本文來(lái)自微信公眾號(hào)：永結(jié)無(wú)情游相期邈云漢（ID：haibaraemily_planets），作者：haibaraemily，出品：科普中國(guó)，監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心。
除了太陽(yáng)，其他恒星周?chē)灿行行黔h(huán)繞嗎？我們的地球在宇宙中還有同類嗎？
應(yīng)運(yùn)而生
在20世紀(jì)的尾聲里，人們終于窺見(jiàn)了太陽(yáng)系之外的行星世界。
1992年，人們?cè)诿}沖星PSR B1257+12周?chē)谝淮伟l(fā)現(xiàn)了系外行星PSR B1257+12B和PSR B1257+12C；
1995年，人們首次在主序星飛馬座51周?chē)l(fā)現(xiàn)了系外行星飛馬座51b。
我們已經(jīng)知道系外行星確實(shí)是存在的，但到底有多少恒星有行星環(huán)繞？這些行星里有像我們的地球一樣的行星嗎？甚至，會(huì)有哪個(gè)行星上有生命居住嗎？
新世界的大門(mén)已經(jīng)打開(kāi)，但想要繼續(xù)探索還需要招募一位勇敢而勤奮的獵手——從20世紀(jì)90年代，科學(xué)家們就開(kāi)始規(guī)劃一顆專門(mén)用來(lái)搜索系外行星的探測(cè)器，這就是后來(lái)的開(kāi)普勒探測(cè)器[1]。
然而，一方面是技術(shù)和精度上的限制，一方面是經(jīng)費(fèi)上的捉襟見(jiàn)肘，這個(gè)系外行星搜尋提案屢次被否決。直到2000年，屢經(jīng)修改后的開(kāi)普勒任務(wù)第5次提案終于在26個(gè)候選提案中脫穎而出，被NASA的知名摳門(mén)項(xiàng)目Discovery項(xiàng)目選中......和另外兩個(gè)提案一同參加下一輪三進(jìn)二的選拔…...
2001年12月，開(kāi)普勒探測(cè)器最終被選中成為Discovery項(xiàng)目的第10個(gè)任務(wù)，獲得了3億美元的預(yù)算支持（最終花費(fèi)了5.5億美元）。值得一提的是，同時(shí)被選中的另一個(gè)任務(wù)就是探索小行星帶的黎明號(hào)探測(cè)器，兩顆探測(cè)器原計(jì)劃都是在2006年發(fā)射[2,3]，但由于預(yù)算的問(wèn)題，兩顆探測(cè)器都沒(méi)能如期發(fā)射，而是分別延遲到了2009和2007年。
2009年3月7日，幾經(jīng)坎坷的開(kāi)普勒探測(cè)器終于在美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。
搭載開(kāi)普勒探測(cè)器的德?tīng)査蘒I火箭點(diǎn)火。來(lái)源：NASA[4]
這顆以開(kāi)普勒三定律的提出者，偉大的天文學(xué)家約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒命名的探測(cè)器，職責(zé)是持續(xù)搜尋新的系外行星。
而它更大的野心是：尋找地球的同類。更準(zhǔn)確地說(shuō)，是尋找太陽(yáng)這類的恒星周?chē)卸嗌俸臀覀兊牡厍虿畈欢啻?，又位于宜居帶中的巖質(zhì)行星。
勤奮搜尋
在開(kāi)普勒任務(wù)正式通過(guò)之前，人們只發(fā)現(xiàn)了大約80顆系外行星，而且全部都是類似木星那樣的氣態(tài)巨行星，這是因?yàn)樵酱蟮奶祗w越容易被發(fā)現(xiàn)。而開(kāi)普勒探測(cè)器則把目標(biāo)提高到了能探測(cè)到和地球差不多大甚至更小的天體。
為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，開(kāi)普勒探測(cè)器采用了一種簡(jiǎn)單粗暴的搜索方法——“凌日法”。
凌日法的原理很簡(jiǎn)單：
一顆恒星發(fā)出的光如果沒(méi)有遮擋的話應(yīng)該會(huì)始終都一樣亮，也就是說(shuō)，亮度曲線是一條直線。
但當(dāng)有行星飛過(guò)時(shí)，會(huì)遮擋一部分恒星的光，那么在這段時(shí)間里觀測(cè)到的恒星亮度會(huì)變小。當(dāng)行星飛過(guò)之后，會(huì)在恒星的亮度曲線里留下一個(gè)U型缺口。
為了找到這些“缺口”，開(kāi)普勒需要始終盯著同一片天區(qū)反復(fù)觀測(cè)，然后對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)中的亮度變化。而且發(fā)現(xiàn)一次“缺口”還不夠，同樣的凌日事件重復(fù)觀測(cè)到3-4次以上，才能最終確認(rèn)確實(shí)有一顆系外行星。
因此，開(kāi)普勒探測(cè)器的設(shè)計(jì)軌道是一個(gè)環(huán)太陽(yáng)軌道，而且在環(huán)繞太陽(yáng)的過(guò)程中始終朝向同一個(gè)方向。這個(gè)軌道的平均半徑和地球軌道半徑相當(dāng)，但不在黃道面上的，以免受到太陽(yáng)光的影響。
開(kāi)普勒探測(cè)器第一階段的軌道和指向。來(lái)源：維基
不知道細(xì)心的你有沒(méi)有發(fā)覺(jué)，開(kāi)普勒探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的許多行星都是位于天鵝座方向的，那當(dāng)然不是因?yàn)檫@個(gè)天區(qū)的行星特別多，而是因?yàn)樵谧铋_(kāi)始的四年，開(kāi)普勒探測(cè)器始終只指向天鵝座和天琴座那一片方向，總計(jì)追蹤的恒星超過(guò)15萬(wàn)顆。
開(kāi)普勒探測(cè)器第一階段持續(xù)觀測(cè)的天區(qū)：天鵝座（Gygnus）和天琴座（Lyra）方向。來(lái)源：維基
在開(kāi)普勒任務(wù)的頭四年里，這顆探測(cè)器就這樣日復(fù)一日年復(fù)一年地在這片天區(qū)里搜尋著，積累了大量的探測(cè)數(shù)據(jù)寶藏，留待科學(xué)家們慢慢挖掘。
再煥新生
開(kāi)普勒探測(cè)器原本的設(shè)計(jì)壽命只有3.5年，這也是Discovery項(xiàng)目的平均壽命。然而，由于開(kāi)普勒探測(cè)器的實(shí)際探測(cè)精度沒(méi)有達(dá)到原本的預(yù)期，項(xiàng)目組的評(píng)估認(rèn)為開(kāi)普勒探測(cè)器必須持續(xù)觀測(cè)到2016年才能達(dá)到原本的任務(wù)目標(biāo)。不過(guò)好在開(kāi)普勒也確實(shí)運(yùn)行良好，因此2012年11月，NASA正式宣布開(kāi)普勒初期任務(wù)結(jié)束，開(kāi)始長(zhǎng)達(dá)4年的拓展任務(wù)[6]。
然而，這個(gè)如意算盤(pán)沒(méi)有持續(xù)多久，因?yàn)殚_(kāi)普勒遇到了和黎明號(hào)一樣棘手的問(wèn)題——?jiǎng)恿枯嗛_(kāi)始相繼壞掉了。
開(kāi)普勒和黎明號(hào)一樣，都是用動(dòng)量輪控制探測(cè)器的姿態(tài)的。開(kāi)普勒可以一直保持環(huán)繞太陽(yáng)的運(yùn)行，這不需要?jiǎng)恿?lái)維持軌道，但如果想要始終保持指向同一個(gè)方向觀測(cè)，卻需要不斷調(diào)整自己的朝向——最起碼需要三個(gè)動(dòng)量輪才行（三個(gè)垂直的方向各一個(gè)）。
也和黎明號(hào)一樣，開(kāi)普勒也帶了四個(gè)動(dòng)量輪，也就是說(shuō)，壞一個(gè)是沒(méi)有關(guān)系的。因此當(dāng)2012年7月14日第一個(gè)動(dòng)量輪壞掉的時(shí)候，科學(xué)家們依然認(rèn)為開(kāi)普勒探測(cè)器是健康的，是可以繼續(xù)正常工作的。
然而好景不長(zhǎng)，2013年5月11日，拓展任務(wù)開(kāi)始才半年，開(kāi)普勒探測(cè)器的第二個(gè)動(dòng)量輪也壞掉了[7]。雖然在短期內(nèi)，開(kāi)普勒可以向黎明號(hào)一樣采用推進(jìn)劑+動(dòng)量輪的混合模式來(lái)維持原本的姿態(tài)，但在對(duì)動(dòng)量輪嘗試修理無(wú)果之后，NASA還是認(rèn)為這不是長(zhǎng)久之計(jì)。
2013年底，一個(gè)名叫K2的觀測(cè)方式被提出，K2的意思是“開(kāi)普勒的第二春”（Second Light）。這個(gè)創(chuàng)造性的觀測(cè)方案提出利用太陽(yáng)光壓配合兩個(gè)還能工作的動(dòng)量輪維持姿態(tài)穩(wěn)定，而同時(shí)隨著太陽(yáng)角度的變化，大約每80天就要利用推進(jìn)劑調(diào)整一次姿態(tài)，以重新達(dá)到與太陽(yáng)光壓的平衡角度。也就是說(shuō)，開(kāi)普勒探測(cè)器將會(huì)以約80天為周期觀察不同的天區(qū)（每個(gè)區(qū)域的觀測(cè)稱為一個(gè)campaign field）[8]。
K2方案在2014年5月16日正式投入使用，這意味著開(kāi)普勒探測(cè)器續(xù)命成功，進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。
2014-2018年開(kāi)普勒K2階段一共觀測(cè)了20個(gè)測(cè)區(qū)（包括測(cè)試周期）。來(lái)源：NASA[9]
但強(qiáng)行續(xù)命終究是不可持續(xù)的。和黎明號(hào)一樣，開(kāi)普勒探測(cè)儀也同樣免不了油盡燈枯的宿命——一旦燃料耗盡，就意味著開(kāi)普勒任務(wù)的終結(jié)。
頑強(qiáng)的開(kāi)普勒又硬生生撐了好幾年。
更令人揪心的是，開(kāi)普勒的最后一程讓人悲欣交集、提心吊膽，尤其是進(jìn)入K2的第17個(gè)觀測(cè)周期，燃料已經(jīng)開(kāi)始見(jiàn)底之后——每一次姿態(tài)調(diào)整，都是一趟鬼門(mén)關(guān)，撐過(guò)這一次，又能多活80天。
終于，在2018年9月26日完成K2的第19個(gè)觀測(cè)周期并成功傳回?cái)?shù)據(jù)之后，開(kāi)普勒沒(méi)能再開(kāi)啟第20個(gè)觀測(cè)周期。
2018年10月30日，NASA正式宣布開(kāi)普勒探測(cè)器耗盡燃料，任務(wù)結(jié)束。
而18年前一起獲批的黎明號(hào)探測(cè)器，也在一直掙扎在油盡燈枯的邊緣之后，于2018年11月1日耗盡燃料，結(jié)束任務(wù)。
誰(shuí)也不會(huì)想到，兩顆探測(cè)器會(huì)以這樣一種奇特的緣分相伴走到生命的最后一刻。
戰(zhàn)功赫赫
在2001年底，開(kāi)普勒任務(wù)正式通過(guò)之前，人類只發(fā)現(xiàn)了約80顆系外行星。
而到了2018年底，人類已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了約3800顆系外行星——其中有2662顆都是開(kāi)普勒探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的，占了70%。
9年多的飛行，觀測(cè)了53萬(wàn)多個(gè)恒星系統(tǒng)，確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了2662顆系外行星。來(lái)源：NASA[10]
開(kāi)普勒探測(cè)器告訴我們，系外行星是普遍存在的，類地大小的行星也是普遍存在的；開(kāi)普勒探測(cè)器也告訴我們，行星系統(tǒng)可以有多么豐富多彩，傳統(tǒng)的行星形成理論可能亟需修改——我們以為是典型的太陽(yáng)系，只不過(guò)是其中一種情況罷了。
豐富多彩的系外行星假想圖。來(lái)源：NASA
同時(shí)，開(kāi)普勒探測(cè)器留下的海量數(shù)據(jù)也是一筆巨大的寶藏，留待科學(xué)家們?cè)诮酉聛?lái)的幾十年里慢慢發(fā)掘，比如去年底發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)和太陽(yáng)系一樣擁有八顆行星的Kepler-90，就是挖掘舊數(shù)據(jù)找到的。
擁有8個(gè)行星的開(kāi)普勒-90，其中開(kāi)普勒-90i是去年新發(fā)現(xiàn)的。來(lái)源：NASA
但另一方面，不可否認(rèn)開(kāi)普勒也確實(shí)留下了一些遺憾。
開(kāi)普勒的探測(cè)相對(duì)而言是粗糙的——測(cè)光精度不高，信噪也不高，許多觀測(cè)結(jié)果需要和精度更高的哈勃或者其他空間望遠(yuǎn)鏡相配合才能得到確認(rèn)。
開(kāi)普勒的終極追求——對(duì)“宜居地球”的追尋也還沒(méi)有得到確定的答案。
確實(shí)，開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)了很多質(zhì)量和地球相當(dāng)?shù)膸r質(zhì)行星，也發(fā)現(xiàn)了很多位于對(duì)應(yīng)恒星宜居帶中（也就是溫度不冷不熱可以允許液態(tài)水在表面穩(wěn)定存在）的行星。但同時(shí)滿足要求的并不多[11]：
比地球小的巖質(zhì)行星開(kāi)普勒-20e，太熱了不在宜居帶中；
位于太陽(yáng)類恒星的宜居帶中的行星開(kāi)普勒-22b，太大了很可能沒(méi)有固態(tài)表面；
大小和地球相當(dāng)、有固態(tài)表面、位于宜居帶中的中的行星開(kāi)普勒-186f，環(huán)繞的恒星卻是一顆紅矮星，大小和質(zhì)量都只有太陽(yáng)的一半，溫度也比太陽(yáng)低得多；
……
一些可能的宜居行星假想圖。來(lái)源：NASA Ames/W. Stenzel [11]
甚至號(hào)稱是“地球2.0”的開(kāi)普勒-452b似乎滿足所有要求，但還是因?yàn)殚_(kāi)普勒探測(cè)器過(guò)低的信噪比而受到了強(qiáng)烈的質(zhì)疑，需要進(jìn)一步的觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證[12]。（當(dāng)然，和地球更像未必意味著更可能有生命存在，但誰(shuí)叫我們對(duì)生命的認(rèn)識(shí)還那么單一呢）
但很難因此而否定開(kāi)普勒的功績(jī)。作為人類第一顆職業(yè)行星搜尋探測(cè)器，開(kāi)普勒就像一個(gè)裝備簡(jiǎn)陋的獵手，在人類探索太陽(yáng)系外的洪荒歲月里，單槍匹馬地一頭扎進(jìn)了宇宙的黑暗森林之中——我們實(shí)在沒(méi)有理由去責(zé)怪獵槍的質(zhì)量太差。
結(jié)語(yǔ)：薪火相傳
結(jié)束任務(wù)后的開(kāi)普勒探測(cè)器，還會(huì)繼續(xù)停留在環(huán)太陽(yáng)軌道上，只是永遠(yuǎn)沉睡了。
慶幸的是，開(kāi)普勒探測(cè)器的繼任——NASA的凌日系外行星巡天衛(wèi)星TESS已于今年4月發(fā)射升空，接過(guò)了開(kāi)普勒探測(cè)器的火炬，而且短短幾個(gè)月就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3顆系外行星。
TESS探測(cè)器的假想圖。來(lái)源：NASA
再然后，還有以詹姆斯·韋伯號(hào)為首的許多空間望遠(yuǎn)鏡會(huì)在接下來(lái)的數(shù)年里相繼發(fā)射，以不同的方法和視角去探索系外行星的方方面面——這些新的獵手們一定會(huì)給我們帶來(lái)更多更好的驚喜。
但開(kāi)普勒的地位依舊是不同的。
是發(fā)現(xiàn)了2600多顆系外行星的開(kāi)普勒探測(cè)器，真正讓我們開(kāi)始以全新的視角看待星空——
曾經(jīng)，那只是一個(gè)個(gè)遙遠(yuǎn)而陌生的亮點(diǎn)；
而現(xiàn)在，我們知道那一個(gè)個(gè)亮點(diǎn)里，也有著和我們的太陽(yáng)系一樣甚至更加豐富多彩的行星甚至衛(wèi)星世界。
紀(jì)念開(kāi)普勒探測(cè)器退役的作品《A New View of Our Starry Night》。來(lái)源：NASA [13]
再見(jiàn)開(kāi)普勒，感謝你告訴我們不孤獨(dú)。
參考文獻(xiàn)：
[1] NASA | A Brief History of the Kepler Mission
[2] NASA | NASA AMES’ KEPLER MISSION SELECTED FOR DISCOVERY PROGRAM
[3] NASA | JPL Asteroid Mission Gets Thumbs Up from NASA
[4] NASA | Kepler's Launch
[5] NASA | Exoplanet and Candidate Statistics
[6] NASA | NASA's Kepler Completes Prime Mission, Begins Extended Mission
[7] NASA | Kepler Mission Manager Update
[8] NASA | K2 Campaign fields
[9] NASA | Kepler Mission Manager Update: K2 Has Been Approved!
[10] NASA | Kepler By the Numbers – Mission Statistics
[11] NASA | Searching for Habitable Worlds
[12] Mullally, F., Thompson, S. E., Coughlin, J. L., Burke, C. J., & Rowe, J. F. (2018). Kepler’s Earth-like Planets Should Not Be Confirmed without Independent Detection: The Case of Kepler-452b. The Astronomical Journal, 155(5), 210.
[13] NASA | A New View of Our Starry Night
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