除了太陽，其他恒星周圍也有行星環(huán)繞嗎？???? ?

　　我們的地球在宇宙中還有同類嗎？???? ?

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　　應(yīng)運(yùn)而生???????

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　　在20世紀(jì)的尾聲里，人們終于窺見了太陽系之外的行星世界。???? ?

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　　1992年，人們在脈沖星PSR B1257+12周圍第一次發(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周圍發(fā)現(xiàn)了系外行星飛馬座51b。???? ?

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　　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，會有哪個行星上有生命居住嗎？???? ?

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　　新世界的大門已經(jīng)打開，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)家們就開始規(guī)劃一顆專門用來搜索系外行星的探測器，這就是后來的開普勒探測器[1]。???? ?

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　　然而，一方面是技術(shù)和精度上的限制，一方面是經(jīng)費(fèi)上的捉襟見肘，這個系外行星搜尋提案屢次被否決。直到2000年，屢經(jīng)修改后的開普勒任務(wù)第5次提案終于在26個候選提案中脫穎而出，被NASA的知名摳門項(xiàng)目Discovery項(xiàng)目選中…和另外兩個提案一同參加下一輪三進(jìn)二的選拔…???? ?

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　　2001年12月，開普勒探測器最終被選中成為Discovery項(xiàng)目的第10個任務(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，同時被選中的另一個任務(wù)就是探索小行星帶的黎明號探測器，兩顆探測器原計(jì)劃都是在2006年發(fā)射[2, 3]，但由于預(yù)算的問題，兩顆探測器都沒能如期發(fā)射，而是分別延遲到了2009和2007年。???? ?

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　　2009年3月7日，幾經(jīng)坎坷的開普勒探測器終于在美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。???????

搭載開普勒探測器的德爾塔II火箭點(diǎn)火。來源：NASA[4]???????

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　　這顆以開普勒三定律的提出者，偉大的天文學(xué)家約翰內(nèi)斯 開普勒命名的探測器，職責(zé)是持續(xù)搜尋新的系外行星。???????

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　　而它更大的野心是：尋找地球的同類。更準(zhǔn)確地說，是尋找太陽這類的恒星周圍有多少和我們的地球差不多大，又位于宜居帶中的巖質(zhì)行星。???? ?

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　　勤奮搜尋???????

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　　在開普勒任務(wù)正式通過之前，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)。而開普勒探測器則把目標(biāo)提高到了能探測到和地球差不多大甚至更小的天體。???????

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　　為了達(dá)到這個目標(biāo)，開普勒探測器采用了一種簡單粗暴的搜索方法——“凌日法”。???? ?

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　　凌日法的原理很簡單：???? ?

　　一顆恒星發(fā)出的光如果沒有遮擋的話應(yīng)該會始終都一樣亮，也就是說，亮度曲線是一條直線。???????

　　但當(dāng)有行星飛過時，會遮擋一部分恒星的光，那么在這段時間里觀測到的恒星亮度會變小。當(dāng)行星飛過之后，會在恒星的亮度曲線里留下一個U型缺口。???????

　　 ?????

　　為了找到這些“缺口”，開普勒需要始終盯著同一片天區(qū)反復(fù)觀測，然后對比觀測數(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)觀測到3-4次以上，才能最終確認(rèn)確實(shí)有一顆系外行星。???? ?

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　　因此，開普勒探測器的設(shè)計(jì)軌道是一個環(huán)太陽軌道，而且在環(huán)繞太陽的過程中始終朝向同一個方向。這個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，以免受到太陽光的影響。???? ?

開普勒探測器第一階段的軌道和指向。來源：維基???????

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　　不知道細(xì)心的你有沒有發(fā)覺，開普勒探測器發(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@個天區(qū)的行星特別多，而是因?yàn)樵?strong>最開始的四年，開普勒探測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15萬顆。???? ?

開普勒探測器第一階段持續(xù)觀測的天區(qū)：天鵝座（Gygnus）和天琴座（Lyra）方向。來源：維基???????

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　　在開普勒任務(wù)的頭四年里，這顆探測器就這樣日復(fù)一日年復(fù)一年地在這片天區(qū)里搜尋著，積累了大量的探測數(shù)據(jù)寶藏，留待科學(xué)家們慢慢挖掘。???? ?

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　　再煥新生???????

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　　開普勒探測器原本的設(shè)計(jì)壽命只有3.5年，這也是Discovery項(xiàng)目的平均壽命。然而，由于開普勒探測器的實(shí)際探測精度沒有達(dá)到原本的預(yù)期，項(xiàng)目組的評估認(rèn)為開普勒探測器必須持續(xù)觀測到2016年才能達(dá)到原本的任務(wù)目標(biāo)。不過好在開普勒也確實(shí)運(yùn)行良好，因此2012年11月，NASA正式宣布開普勒初期任務(wù)結(jié)束，開始長達(dá)4年的拓展任務(wù)[6]。???? ?

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　　然而，這個如意算盤沒有持續(xù)多久，因?yàn)殚_普勒遇到了和黎明號一樣棘手的問題——動量輪開始相繼壞掉了。???? ?

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　　開普勒和黎明號一樣，都是用動量輪控制探測器的姿態(tài)的。開普勒可以一直保持環(huán)繞太陽的運(yùn)行，這不需要動力來維持軌道，但如果想要始終保持指向同一個方向觀測，卻需要不斷調(diào)整自己的朝向——最起碼需要三個動量輪才行（三個垂直的方向各一個）。???? ?

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　　也和黎明號一樣，開普勒也帶了四個動量輪，也就是說，壞一個是沒有關(guān)系的。因此當(dāng)2012年7月14日第一個動量輪壞掉的時候，科學(xué)家們依然認(rèn)為開普勒探測器是健康的，是可以繼續(xù)正常工作的。???? ?

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　　然而好景不長，2013年5月11日，拓展任務(wù)開始才半年，開普勒探測器的第二個動量輪也壞掉了[7]。雖然在短期內(nèi)，開普勒可以向黎明號一樣采用推進(jìn)劑+動量輪的混合模式來維持原本的姿態(tài)，但在對動量輪嘗試修理無果之后，NASA還是認(rèn)為這不是長久之計(jì)。???? ?

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　　2013年底，一個名叫K2的觀測方式被提出，K2的意思是“開普勒的第二春”（Second Light）。這個創(chuàng)造性的觀測方案提出利用太陽光壓配合兩個還能工作的動量輪維持姿態(tài)穩(wěn)定，而同時隨著太陽角度的變化，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)到與太陽光壓的平衡角度。也就是說，開普勒探測器將會以約80天為周期觀察不同的天區(qū)（每個區(qū)域的觀測稱為一個campaign field）[8]。???? ?

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　　K2方案在2014年5月16日正式投入使用，這意味著開普勒探測器續(xù)命成功，進(jìn)入了一個嶄新的階段。???? ?

2014-2018年開普勒K2階段一共觀測了20個測區(qū)（包括測試周期）。???????

來源：NASA[9]???????

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　　但強(qiáng)行續(xù)命終究是不可持續(xù)的。和黎明號一樣，開普勒探測儀也同樣免不了油盡燈枯的宿命——一旦燃料耗盡，就意味著開普勒任務(wù)的終結(jié)。???? ?

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　　頑強(qiáng)的開普勒又硬生生撐了好幾年。???????

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　　更令人揪心的是，開普勒的最后一程讓人悲欣交集、提心吊膽，尤其是進(jìn)入第17個觀測周期，燃料已經(jīng)開始見底之后——每一次姿態(tài)調(diào)整，都是一趟鬼門關(guān)，撐過這一次，又能多活80天。???? ?

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　　終于，在2018年9月26日完成第19個觀測周期并成功傳回?cái)?shù)據(jù)之后，開普勒沒能再開啟第20個觀測周期。???? ?

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　　2018年10月30日，NASA正式宣布開普勒探測器耗盡燃料，任務(wù)結(jié)束。???????

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　　而18年前一起獲批的黎明號探測器，也正掙扎在燃料即將耗盡的邊緣，很快就會結(jié)束任務(wù)。???? ?

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　　誰也不會想到，兩顆探測器會以這樣一種奇特的緣分相伴走到生命的最后一刻。???????

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　　戰(zhàn)功赫赫???????

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　　在2001年底，開普勒任務(wù)正式通過之前，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顆都是開普勒探測器發(fā)現(xiàn)的，占了70%。???? ?

9年多的飛行，觀測了53萬多個恒星系統(tǒng)，確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了2662顆系外行星。來源：NASA[10]???????

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　　開普勒探測器告訴我們，系外行星是普遍存在的，類地大小的行星也是普遍存在的；開普勒探測器也告訴我們，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系，只不過是其中一種情況罷了。???? ?

豐富多彩的系外行星假想圖。來源：NASA???????

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　　同時，開普勒探測器留下的海量數(shù)據(jù)也是一筆巨大的寶藏，留待科學(xué)家們在接下來的幾十年里慢慢發(fā)掘，比如去年底發(fā)現(xiàn)的第一個和太陽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個行星的開普勒-90，其中開普勒-90i是去年新發(fā)現(xiàn)的。來源：NASA???????

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　　但另一方面，不可否認(rèn)開普勒也確實(shí)留下了一些遺憾。???? ?

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　　開普勒的探測相對而言是粗糙的——測光精度不高，信噪也不高，許多觀測結(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)。比如上次我們介紹的疑似系外衛(wèi)星開普勒1625b-i（詳情：發(fā)現(xiàn)第一顆系外衛(wèi)星？別著急，還要再等等）。 ???? ?

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　　開普勒的終極追求——對“宜居地球”的追尋也還沒有得到確定的答案。???????

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　　確實(shí)，開普勒發(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。但同時滿足要求的并不多[11]：???? ?

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　　 比地球小的巖質(zhì)行星開普勒-20e，太熱了不在宜居帶中；???? ?

　　 位于太陽類恒星的宜居帶中的行星開普勒-22b，太大了很可能沒有固態(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)量都只有太陽的一半，溫度也比太陽低得多；???? ?

　　 ……???? ?

一些可能的宜居行星假想圖。來源：NASA Ames/W. Stenzel [11]???????

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　　 甚至號稱是“地球2.0”的開普勒-452b似乎滿足所有要求，但還是因?yàn)殚_普勒探測器過低的信噪比而受到了強(qiáng)烈的質(zhì)疑，需要進(jìn)一步的觀測來驗(yàn)證[12]。（當(dāng)然，和地球更像未必意味著更可能有生命存在，但誰叫我們對生命的認(rèn)識還那么單一呢）???? ?

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　　但很難因此而否定開普勒的功績。作為人類第一顆職業(yè)行星搜尋探測器，開普勒就像一個裝備簡陋的獵手，在人類探索太陽系外的洪荒歲月里，單槍匹馬地一頭扎進(jìn)了宇宙的黑暗森林之中——我們實(shí)在沒有理由去責(zé)怪獵槍的質(zhì)量太差。???????

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　　結(jié)語：薪火相傳???????

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　　結(jié)束任務(wù)后的開普勒探測器，還會繼續(xù)停留在環(huán)太陽軌道上，只是永遠(yuǎn)沉睡了。???? ?

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　　慶幸的是，開普勒探測器的繼任——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，接過了開普勒探測器的火炬，而且短短幾個月就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3顆系外行星。???? ?

　　TESS探測器的假想圖。來源：NASA???????

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　　薪火相傳。來源：NASA???????

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　　再然后，還有以詹姆斯 韋伯號為首的許多空間望遠(yuǎn)鏡會在接下來的數(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給我們帶來更多更好的驚喜。???? ?

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　　但開普勒在我們心里的地位依舊是不同的。???????

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　　是發(fā)現(xiàn)了2600多顆系外行星的開普勒探測器，真正讓我們能以全新的視角看待星空——???? ?

　　曾經(jīng)，那只是一個個遙遠(yuǎn)而陌生的亮點(diǎn)；???? ?

　　而現(xiàn)在，我們知道那一個個亮點(diǎn)里，也有著和我們的太陽系一樣甚至更加豐富多彩的行星甚至衛(wèi)星世界。???? ?

紀(jì)念開普勒探測器退役的作品《A New View of Our Starry Night》。???????

　　來源：NASA [13]???????

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　　再見開普勒，感謝你告訴我們不孤獨(dú)。????

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　　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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　　（本文中標(biāo)明來源的圖片均已獲得授權(quán)）???????