开普勒望远镜寻找系外行星的方法是什么(开普勒太空望远镜很神奇,找到几千颗系外行星,为啥没找到生命?)

寻找地外生命和文明,是科学家们几百年来的梦想。当然科学家不会像一些吃瓜群众,见到一个弄不明白的事情,如见到UFO(不明飞行物)就想入非非,硬要往外星人头上扯。

科学家讲的是证据,现在的证据是,在太阳系除了地球,其他星球连一个细胞都没有发现。

于是,科学家们将注意力转往太阳系以外

首先就是需要找到太阳系外其他恒星附属的行星,尤其是宜居带类地行星。所谓的宜居带,就是相距恒星在一个合适距离,行星温度不冷不热能保持液态水存在的区域;而类地行星就是像地球这样,有一层岩石包裹着具有固体表面的行星。

因为科学家们确信,要找到类似地球的生命,宜居带和类地行星是必备条件。当然宇宙中可能存在与地球完全不一样的生命或文明,【资 ;源 之.家.】这些生命和文明在什么样的条件下可以孕育和进化,目前就更没有发现,也没有理论,今天我们就不讨论了。

自从有了望远镜,几百年来科学家们一直在寻找太阳系外的行星,但犹如大海捞针,令人失望。直到1992年,美国两位天文学家亚历山大·沃尔兹森和戴尔·弗莱尔,首次发现了围绕着脉冲星运行的两颗系外行星,分别被命名为PSR B1257+12 BPSR B1257+12 C;1995年,瑞士两位天文学家麦克·梅耶和迪迪尔·奎洛兹,则首次发现了围绕类太阳恒星公转的系外行星,命名为飞马座51b

从此寻找系外行星(太阳系外行星)成为了天文学家们追崇的热门,众多的地面望远镜和科学项目组加入了搜寻系外行星的队伍,不断发现【资 ;源 之.家.】新的行星;1990年发射的首个太空望远镜哈勃号,则最早用直接成像法发现了北落师门周围的行星。但这些发现有的是“业余”,即便“专业”的效率也并不高,科学界迫切需要一个更专业更高效的系外行星搜寻计划。

这时,开普勒太空望远镜应运而生

开普勒太空望远镜(后面有时会简称“开普勒”)又称为开普勒任务,英文表述为Kepler Mission,是NASA(美国航天局)研制的世界首艘专门探测太阳系外类地行星的空间望远镜,并于2009年3月7日在美国卡纳维尔角空军基地发射升空。

约翰内斯·开普勒(Johannes Kepler)是17世纪的德国天文学家、数学家,他发现了行星运动三大定律,即轨道定律、面积定律和周期定律【资 ;源 之.家.】,为人类认识宇宙和行星运动贡献巨大,开普勒太空望远镜就以他的名字命名,以兹追崇。

开普勒望远镜不是像哈勃望远镜一样围绕着地球转,而是像地球一样围绕着太阳转,像个跟屁虫跟在地球屁股后面,但会渐渐远离地球,4年后距离地球约0.5AU(7500万公里)。其观测视场指向天鹅座和天琴座所在的领域,远离了黄道平面,这样就不但不会被地球遮蔽,可以持续观测,而且不会受到地球、月球漫射影响,也不会受到阳光渗漏影响。

“开普勒”质量约1039公斤,口径为0.96米,主镜为1.4米,视野约105平方度(视直径约12度),看到的天区与一个人伸直胳膊看到的拳头遮蔽的视野差不多,观测深度约3000光年,广度约全天的0.25%【资 ;源 之.家.】

“开普勒”一升空,就显示了与众不同的非凡实力,在服役的9年多时间里,观测到候选系外行星5000多颗,经审查被确认的有2662颗,其中候选宜居带类地行星49颗,有30多颗得到确认。

全球科学界还采用多种方法寻找系外行星,从1995年发现首颗系外行星,截止到2020年11月16日,发现的系外行星总量为4373颗。从这个数据来看,仅开普勒太空望远镜的发现,就占已发现的系外行星总数的60%以上。

“开普勒”如何寻找系外行星?

现在科学探测系外行星的方法很多,如最早那颗行星就是利用视向速度法找到的,此外还有微引力透镜法、天体测量法、计时法、掩星法等等。这些都是通过间接观测,通过物理学原理测算出来的。

系外行星【资 ;源 之.家.】都无法直接“看到”,只能通过恒星光变和引力摄动等方式“测算”到的。因为系外行星视角太小了,到现在用直接成像法找到的行星只有100余颗,这种方法找到的行星都是巨大的“热木星”,也就是温度在600~2000K的年轻类木行星,其中绝大部分质量有木星数十倍。

直接成像也不是能够直接“看到”,而是通过恒星不可见的红外光变化来“测算”。这些寻找系外行星的方法都有一套很复杂的理论,今天就不展开说了,只说说掩星法。

开普勒太空望远镜寻找系外行星的方法就是采用掩星法。掩星法又称凌日法或凌星法,就是通过观测系外行星在视向上横穿恒星表面时,恒星光度发生细微变化来确定行星存在的方法。

因此“开普勒”上装置的最重要仪器就是N【资 ;源 之.家.】ASA研制的高精度太空光度计,其主要功能不是得到行星清晰图像,而是通过对恒星光度测量,获取恒星的光度变化,从而计算出有没有行星围绕的结论。

“开普勒”对一颗m(V)=12类似太阳的恒星观测6.5小时,可检测出20ppm(百万分之二十)的综合光度变化,而一颗类似地球的行星凌星时造成的光度变化约84ppm。

“开普勒”就这样在轨道上定向观测10万颗恒星的光度,通过恒星光度细微变化来检测是否有行星凌日,并计算出凌日行星的公转周期、轨道大小、凌日深度、行星大小等等,还能通过对行星母恒星的光谱、光度等参数测算,得到其质量,从而推算出行星是否在宜居带。

“开普勒”的里程碑式发现

“开普勒”升空之前,科学界发现的系【资 ;源 之.家.】外行星基本都是大质量大体积的“热木星”,“开普勒”升空后,发现了大量与地球差不多的较小类地行星,还发现了首个具有6行星的恒星系统,首个围绕着两颗恒星运行的行星,发现围绕着类太阳恒星运行的最小行星等等。

为了大家阅读方便,特别说明一下行星的命名规则:就是恒星名字后面,根据靠近主恒星的行星顺序,依次命名为b、c、d、e、f、g、h等。“开普勒”发现的行星前面都冠以开普勒恒星名称,如开普勒20就是恒星名称,开普勒20e就是靠近开普勒20恒星的第4顺序行星。

开普勒20e和开普勒20f是人类最早发现的小行星,这两颗恒星的半径分别是地球的0.8倍和1.03倍,是距离我们约950光年的恒星~开普勒20系统中,【资 ;源 之.家.】五颗行星中的两颗。开普勒20是一颗类太阳恒星,质量约太阳的91%,表面温度略低于太阳,约5466K。这两颗类地行星距离主星太近,一般认为不适宜生命存在,而其他几颗行星都是类木行星。

但这个发现是一个重要转折点,终结了没有发现系外小行星的历史。

“开普勒”发现的最小行星是开普勒42恒星系统中的行星,这是一颗距离我们只有126光年的红矮星,质量只有太阳的0.13倍,光度只有太阳的0.24%,目前发现它有三颗行星相伴,其中的开普勒42b体积约地球的0.78倍,开普勒42c体积约地球的0.73倍,而开普勒42d的体积只有火星的1.97倍,是迄今发现最小的行星。

开普勒186是一颗距离我们约500光年的红矮星【资 ;源 之.家.】,质量约是太阳的0.54倍,其有五颗行星相伴,其中的开普勒186f最引人注目,大小约地球的1.1倍,且在宜居带,有科学家分析这很可能是最有希望存在生命的星球。但也有分析发现,虽然算得上是地球的表亲,但并非双胞胎,其在宜居带靠外的边缘区域,很可能存在的是水冰而非液态水,不一定适宜居住。

而开普勒1649c则是一个意外发现,这颗审查时被遗漏的行星,是在“开普勒”退休几年后,2020年对“开普勒”拍摄的资料重新审查时偶然发现的。这颗距离我们约300光年的行星,大小是地球的1.06倍,而且是一颗岩石星球,理论计算正处于恒星的宜居带,被认为是迄今为止最像地球的一颗行星。

不过令人失望的是,由于其主星是一颗红【资 ;源 之.家.】矮星,质量很小,宜居带就距离主星很近,开普勒1649c公转周期只有19天,并不适宜生命存在。

“开普勒”还发现了开普勒90星系,这是位于天龙座距离我们2545光年的一个类太阳系,是迄今为止发现系外行星最多的恒星系统,和我们太阳系一样有8颗行星相伴。

“开普勒”发现的系外行星花样繁多,还有围绕着2颗恒星甚至4颗恒星运行的行星,有不少地球的大表哥、地球2.0等星球,这里就无法一一表述了。

茫茫宇宙,外星人在何方?发现在继续

这些年搜寻地外行星计划中,发现了不少大表哥、地球2.0等貌似地球的行星,那么这些行星上会有外星人吗?

其实“开普勒”也不知道,而且谁也不知道。因为虽然人类对系外行星观测不断进步,但真正“【资 ;源 之.家.】看得清”的一个也没有,那些所谓大表哥、地球2.0等等,都是瞎咋呼而已,与地球环形相差甚远。就像在地球上很难找到完全一样的两片树叶或两个指纹,在宇宙中也难以找到和地球完全一样的星球。

宇宙中可能存在地外生命和文明,或许还会存在与地球完全不一样的生命或文明,但迄今为止还没有任何证据,甚至没有发现这方面的任何蛛丝马迹。既然如此,作为严谨的科普文章,就不能随意揣测。

2018年,开普勒太空望远镜就由于燃料告罄而不得不光荣退役了,那么它的位置由谁来填补呢?是不是未来行星搜寻计划会被搁置呢?大家不必担心,NASA研制的新一代“行星猎手”早就应运而生了,它就是新一代的“凌日系外行星巡天卫星”,简称TESS,它早【资 ;源 之.家.】就于北京时间2018年4月19日顺利发射升空了,顶替了老一辈的“开普勒”,继续未尽的事业。

TESS的观测区域面积是“开普勒”的400倍,也就是可以进行全天搜寻。它把天空分为26个不同区域,每27天巡天一次,重点查看20万颗靠近地球最大最亮的恒星,科学家希望通过它至少发现20000颗系外行星,在其中找到更宜居的星球。

搜寻系外行星,一方面是为了发现地外生命或文明,另一方面也是为将来地球无法居住时,人类不得不移民外星寻找最宜居的地方。这是人类为了繁衍所进行的未雨绸缪,是一群具有高瞻远瞩眼光的科学家、实业家、政治家的伟大举措,作为人类的一员,我为有这样杰出的同类而欣慰。

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