找回密碼 注冊

送望遠鏡上天,去尋找外星行星!

稻草人老孫 發表于 2013.1.9| 點擊數4150

開普勒望遠鏡是天文學家搜尋太陽系外第二顆地球的最佳利器,但它的啟動絕非一帆風順。來聽聽項目首席科學家比爾•博魯茨基,聊聊開普勒望遠鏡背后的故事吧!

 

(文/Andrew Grant)1992年,比爾•博魯茨基(Bill Borucki)向美國航空航天局(NASA)提出了一項大膽的建議:發射一架太空望遠鏡,去探測遠在千萬億公里之外的地球大小的行星。NASA很快拒絕了這個建議。畢竟當時沒有人知道太陽系外是否存在行星。但博魯茨基不會輕易放棄,他是一位資深航天人士,曾經經歷過把人類送上月球的阿波羅時代,那個時代的精神就是“永不言敗”。

開普勒太空望遠鏡項目的提出者之一、首席科學家比爾?博魯茨基。來源:sfgate.com

開普勒太空望遠鏡項目的提出者之一、首席科學家比爾•博魯茨基

接下來,他花了十年時間打造各種部件,開展實驗證明他的建議切實可行。2001年NASA終于“投降”,批準了開普勒太空望遠鏡項目,并取得了驚人的成果。自2009年升空以來,開普勒已經辨認出3000多顆候選行星,確認了100多顆行星,其中包括灼熱的氣態巨行星和擁有兩個太陽的怪異行星系統。到2016年,開普勒將發現它最大的“產出”:大小及到所屬恒星距離都非常類似地球的行星。

在一個典型的北加利福尼亞州宜人的下午,《發現》雜志助理編輯安德魯•格蘭特在NASA艾姆斯研究中心,博魯茨基的辦公室里,對他進行了采訪。

加入NASA

是什么促使你喜歡上了月亮和行星?你一直都對天空感興趣嗎?

當然,童年時我已經對天文學很感興趣。我會和朋友們騎自行車去葉凱士天文臺,距離我在威斯康辛州德拉文的家大約有24公里。那時的夜空非常黑,你可以爬上樓頂看流星雨。

除了觀測以外,你還對什么感興趣?

我和朋友們造過火箭。我還記得一開始我們做過的一個火箭模型,大概5厘米高,鉆了一個小孔可以往里面放火藥?;鹚幒苋菀着?mdash;—那時候還沒什么恐怖分子。后來我們造的火箭就很大了。我們用了直徑好幾厘米的鋼管,裝了好幾千克的推進劑,火箭內部還放了無線電發射機,這樣能收到信號把火箭再找回來。我們會事先打電話給警察局長,告訴他我們要發射火箭,他就會關閉這一地區的道路。要是火箭落下來砸死了牛,這才是真正的問題——你還得給農民賠牛錢。

你們砸死過牛嗎?

從來沒有。

你是怎么進入NASA的?

1962年,我在威斯康辛大學獲得了物理學碩士學位,NASA是我唯一想去工作的地方。NASA有兩個實驗室給了我錄取通知:一個是克利夫蘭的飛機發動機研究實驗室(今天的格林研究中心),另一個是加利福尼亞的艾姆斯研究中心。格林中心從事推進研究,艾姆斯中心正在為阿波羅計劃設計隔熱罩。兩個機會看起來都很好,但父親告訴我去西部吧。于是,我選了艾姆斯研究中心。

你是怎么拿到NASA兩份錄取通知的?成績一定非常優秀吧?

你必須記住一點,當時NASA還沒有登上月球。我們還不知道該怎么設計隔熱罩,才能保護飛船安全通過大氣層。我們不了解飛船要穿過的大氣包含什么化學成分。有太多的事情我們都不懂,所以話說回來,你也不必非得是一流的學生才行。你不一定要有博士學位?;旧蟻碚f,你必須能夠解決問題,而且是迅速解決,風格務實。

研制實用的隔熱罩是你的第一個項目,對吧?

我們需要知道飛船返回大氣層時會面對什么,所以我們必須在實驗室中重現那些條件。我們想法是,用兩尊大炮相互瞄準,一尊炮以15馬赫的速度射出300磅(約136千克)空氣,另一尊射出一個飛船模型穿過那些空氣。飛船以如此高速穿過空氣,在隔熱罩前產生明亮的沖擊波。我的工作室設計能夠分析沖擊波發光的儀器。這些測量能夠告訴我們被加熱空氣中的化學過程,還能告訴我們隔熱罩能否有效地保護飛船。

你如何設計出這樣的實驗,去檢驗從來都沒人實驗過的條件呢?

我們需要一把性能超出人們想象的槍。普通步槍不可能射出那么多氣體。但艾姆斯研究中心有采購商,負責購買東西。我們給了他很多艱巨的任務,其中之一是要弄到海軍戰列艦上的大炮。他居然給弄來了!然后,我們就想辦法把一尊炮旋進另一尊,讓一尊炮開火進入另一尊里面,這樣我們就造出了一尊巨炮,能夠把所有空氣通過超聲噴嘴發射出去。你知道,我們需要在登月方面擊敗俄國人,所以那時候NASA沒什么繁文縟節。我們奉行的哲學是:讓我們做起來,快快地做起來!現在,你需要的大部分東西都得先填一堆表格,成本還比直接出去購買要貴得多?;叵氘斈?,我們在各方面都極端高效。今天的效率低多了。

1969年7月20日,看到阿波羅11號的宇航員成功登月時,你是什么感覺?

看到他們成功登上月球,在月球上行走,對我來說,這顯然太有意義了。更有意義的是,看到他們平安歸來。登月很偉大,平安回來更偉大。

阿波羅項目在1972年結束,登月很快就變得虎頭蛇尾。接下來你在做什么?

NASA解雇了為阿波羅工作的每一個人。當時我想在艾姆斯中心再找一份工作。差不多就是到處走走,“你瞧,我會做很多事情,有什么問題需要我來解決嗎?”后來,我寫了好幾篇漂亮的研究論文,內容涉及地球大氣層和金星、木星及土衛六上的閃電。

開普勒望遠鏡對大約17萬顆恒星進入不間斷監測,如果有行星從它們前方經過,就能察覺到恒星亮度的微弱降低。來源:ientry.com

開普勒望遠鏡對大約17萬顆恒星進入不間斷監測,如果有行星從它們前方經過,就能察覺到恒星亮度的微弱降低。來源:ientry.com

提議開普勒

是從什么時候開始,你想去尋找其他恒星周圍的行星呢?

艾姆斯研究中心總是有優秀科學家主持的講習班。早在20世紀70年代,就有關于尋找太陽系外行星的講習班了。一些人,比如弗里曼•戴森(Freeman Dyson,物理學家兼未來學家),在這個領域就非?;钴S。他們的興趣大多是,嘗試用天體測量學尋找行星,也就是測量由于行星引力導致的恒星位置的變化。我對天體測量學一無所知,但我做過隔熱罩,也研究過閃電,對光度學很熟悉——就是測量光的強度。我開始思考,也許光度學也是一種尋找行星的方法。我跟講習班上的一些人談過,但他們都不感興趣。當時人人都相信,這項工作將由天體測量學來完成。

觀測星光來尋找行星的想法,你是怎么發展出來的呢?

閱讀文獻很有幫助。我在1971年的《伊卡洛斯》上看到一篇文章,是一位名叫弗蘭克•羅森布拉特(Frank Rosenblatt)的神經外科醫生寫的。這篇文章非常棒,探討了如何通過測量其他恒星的星光,來尋找這些恒星周圍的行星。如果一顆行星從恒星和你的望遠鏡之間經過,你會看到光的強度略有下降。不幸的是,羅森布拉特提交了這篇文章后不久,就在一條河上劃皮劃艇淹死了。但我和艾姆斯中心的天文學家奧德麗•薩默斯(Audrey Summers)開始研究羅森布拉特的文章,并進行了一些改進,然后我們自問,需要什么樣的儀器才有能力進行這樣的測量。1984年,我們在一篇文章中總結道,地面上的望遠鏡用這種方法能夠探測到木星大小的行星。但對于小得多的地球大小的行星,就必須使用不受大氣層干擾的望遠鏡,也就是要到太空里去。

那你做了什么,如何把一個寬泛的概念變成一個具體的計劃?

艾姆斯中心有一個叫做“主任自由資助基金”的東西,NASA各中心可以用這筆錢去做各自想做的事情。我成功地申請到了一小筆資金,大約10000到15000美元,用來開一個工作室,或者造一臺小光度計用于測量亮度。人們開始討論,如何才能造出一臺十分精確的光度計。我們對光度計的要求高得超乎想象:木星大小的行星從太陽大小的恒星前面經過時(這個現象稱為“凌星”),星光會變暗大約百分之一。但對于地球大小的行星,光度計的精度必須提高1000倍,能夠測出十萬分之一的亮度變化。一步一步,我們開始弄清楚怎么才能達到這樣的精度。

然后你就構想了一艘飛船,能夠用這種方式來尋找行星?

是的。向NASA遞交提案時,你必須列出來儀器上的每一個部件。我們知道,我們的飛船需要一架大望遠鏡和光學探測器,來持續不斷地監測數千顆恒星,去尋找短暫的凌星過程。通過監測很多顆恒星,才能提高找到凌星的幾率,而且你需要更多的統計手段,去估計銀河系中存在行星的幾率。從一開始,這個巡天項目的設計目的就是,確定在恒星周圍可居住區域內存在地球大小行星的幾率,也就是尋找能夠維持液態水、可能存在生命的行星。如果這個幾率很高,銀河系內就可能存在大量生命,銀河系外也是。如果“地球”很少,那么就很難找到生命了。

你是在什么時候第一次向NASA提出這個行星搜尋項目的?

1992年,復審的人很快就拒絕了。他們說不存在能做這樣精確測量的探測器。我相信有,但當時還沒有證據。兩年后,我們又提交了這個項目的修改版,這次他們又因為資金問題拒絕了我們。NASA剛花了10億美元把哈勃望遠鏡送上了太空,還在為哈勃光學系統對焦不準的慘敗進行公關。他們擔心再發射一臺太空望遠鏡的花費。

你是怎么努力改變他們的想法的?

到了1996年,又有一次申請項目資助的機會。此時,我們已經用CCD做了光學測量,證明這種探測器應該足夠精確,可以發現行星。我們還指出,1995年有人發現了第一顆圍繞類太陽恒星轉動的外星行星。為了搞定這件事,我們還必須做一件事,就是給這個項目起個好名字。前兩次提案時,我們稱它為“地球大小內行星幾率”衛星,縮寫為fresip。我自己覺得這個名字挺棒的,可其他人都討厭???bull;薩根(Carl Sagan,他一直到1996年去世前都在為這個項目工作)和團隊的另一位成員說:“比爾,我們改一下,換個更鼓舞人心的名字吧。比如,開普勒。”17世紀,約翰尼斯•開普勒(Johannes Kepler)提出了行星運行定律,我們至今仍利用這些定律來解釋行星數據。他還創立了一些光學定律,幫助人們了解怎么正確地磨望遠鏡的鏡片。我讓步了。我們改了名字,在1996年又一次提出了項目申請。

然后,你又被拒絕了?

是的。已經證明探測器能夠工作,已經證明我們這個項目費用比哈勃少,而且已經改了名字——但是還不夠。NASA說,沒有人證明過,你能夠同時跟蹤數千顆恒星,還能保持高精度。他們說:“去建個天文臺吧,證明這事兒能做成。”于是,我們在離艾姆斯研究中心40多公里的里克天文臺,借了一個已經有故障的老舊小圓頂,里面有臺小望遠鏡。我們得封上屋頂,趕走地板下的蛇和老鼠。這里沒有洗澡間,所以如果夜里想洗澡,就得經過一條會有美洲獅出沒的小路,去有洗澡間的地方。但我們重建了這個天文臺,架設好望遠鏡,完成了測量。我們證明,我們能夠同時對6000顆恒星進行光度測量。1998年,我們又一次提出了開普勒項目。

這是第四次了,對開普勒項目是不是幸運數字呢?

不是——NASA又一次拒絕了我們。這次他們說,我們必須證明望遠鏡即使在軌道上,存在宇宙射線和其他干擾的情況下,也足夠靈敏,能夠探測到地球大小的行星。至少這一回,他們給了50萬美元,讓我們在實驗室里證明這一點。艾姆斯研究中心也插手了,又借給我們50萬美元。NASA總部認為,我們得花上兩三年時間來設計和建造這堆東西,這樣就會錯過下次申請提案的時間,自己就放棄了,他們也好落個省心。

這次沒有“采購商”幫忙,你得自己造個原型機了。你是怎么做的呢?

我們做了個壁櫥大小的設備,長寬都是1.2米,高3米。在底部,我們放了個球,球里面裝了燈。光從球中射出來,再穿過被一個用激光鉆了很多孔的金屬盤,每個孔代表一顆恒星。在頂上,我們放了一臺小望遠鏡和一個CCD,測量所有“恒星”的亮度。然后我們晃動望遠鏡,就像在太空里會發生的那樣。最困難的部分是要模擬只有百萬分之84的亮度變化——這是地球大小的行星從太陽大小的恒星前面經過時產生的變暗幅度。即使把一塊玻璃擋在一個孔前,導致的亮度降低也高達4%!所以,我們必須發明一些新的東西。我們用極細的電線橫在孔的前面,然后給電線通電。電線發熱后,直徑方向會膨脹幾個原子大小,正好擋住適量的光線。一切搞定之后,我們證明即使在太空里晃動的情況下,探測器也能完成這些觀測。

NASA認為這個實驗得花幾年時間,你們實際上用了多久?

我們用了6個月就完成實驗,發了一份技術報告給NASA總部,及時提交了申請書。2000年1月,NASA終于說:“我們投降了,來拿錢吧。”他們給了我們一些資助,但告訴我們得跟其他兩個項目競爭。然后在2001年,他們正式批準了我們的項目,發射日期安排在了2006年。

但隨后你們遇到了資金問題?

就在剛獲得資助之后,NASA告訴我們,第一年還拿不到錢。我當時就抓狂了,團隊的一些關鍵人員都想走了。幸好,當時NASA總部的科學項目主管安尼•金尼(Anne Kinney)弄到了錢,給了我們100萬美元作起步資金。2005年,我們正在快速制造各種東西時,遇到了另一個問題。NASA在那個財年已經過去6個月的時候通知我們,他們不得不把我們的預算砍掉一半——這意味著我們已經把這一年所能得到的全部資金花光了。我們唯一的選擇,只能是解雇所有的人。到第二年再雇新人,重新培訓。結果,項目的總費用增加了好幾百萬美元,還造成了一年的延誤。

即使遇到種種狀況,你們還是在2009年準備好了讓開普勒升空。發射前的準備階段過得如何?

開普勒準備用德爾塔II型火箭發射。這種火箭的第三級有些毛病,引線工作不正常。有時它會在錯誤的時間點火,有時甚至根本點不著。就在發射之前,有兩枚德爾塔火箭豎立在卡納維爾拉爾角的發射臺上,一枚要發射軍方的GPS衛星,一枚要發射開普勒。軍方的人告訴我們:“你們會先發射,我們想看看引線是否正常。”

這肯定讓你更緊張了。

是有些焦慮。但經過這么多年之后,你對這種焦慮已經相當習慣了。

經過這么些年的計劃,終于看到開普勒升空了,感受如何?

能看到開普勒進入軌道真是太棒了。但最大的興奮來自于三四個星期之后,我們看到了它傳回來的全幀圖像。恒星都在上面。衛星沒有抖動,照片非常棒。

開普勒望遠鏡在銀河系一片很狹窄的區域內搜尋外星行星。來源:jonlomberg.com

開普勒望遠鏡在銀河系一片很狹窄的區域內搜尋外星行星。來源:jonlomberg.com

搜尋外星行星

該說說具體細節了。開普勒搜尋行星,到底是如何工作的?

開普勒就像一個巨大的數碼攝像機,一直對著天空中某個角落里的一組大約17萬顆恒星拍照片。這個系統每6秒鐘拍一張照片,然后記錄每一顆恒星30分鐘內的平均亮度。我們把所有這些數據在衛星上保存一個月,然后衛星掉頭朝向地球,把數據傳輸給我們。

聽上去數據量似乎大得讓人不知所措,你們怎么處理它們呢?

我們每3個月分析一次數據。有很多因素必須考慮:衛星和電子系統的溫度變化對恒星亮度的讀數會有影響,還有一些恒星本來亮度就會變化。所以,我們必須測量所有這些不同的過程,然后把它們排除。這時候,我們才能尋找凌星,那些微小的亮度下降意味著行星的存在。我們有個計算機程序對所有數據進行搜索,尋找重復出現的微小的亮度下降;重復意味著你看到同一顆行星圍繞恒星轉了一圈又一圈。如果程序發現,某顆恒星出現了至少3次可能的凌星,并且時間間隔規則的話,就會把它標記出來,留待后續研究。

在你們觀測的這17萬顆恒星里,開普勒已經發現了多少顆新行星?

計算機已經標記出大約15000顆可能的行星,但其中存在大量的假信號。比如,有很多恒星彼此繞轉遮擋,也會導致類似的亮度下降。所以在艾姆斯研究中心,我們有一個科學家團隊進行鑒別篩選工作。他們審視所有的遮擋事例,從中辨認出看起來有希望的目標。這些目標就被稱為“感興趣的對象”,大約有4000個。然后,我們有另一個團隊對這些目標進行非常細致的檢驗。如果某個目標通過了檢驗,我們就把它升級為“行星候選者”。我們已經辨認出3000多個候選者,我們相信其中大部分真的是行星。但我們不會稱它們為行星,除非觀測者能夠證實它們。

天文學家怎么證實萬億公里之外的某顆恒星周圍存在一顆行星呢?

他們用地面望遠鏡尋找行星對其母星的引力拖拽效應,再用太空望遠鏡,比如斯皮策望遠鏡,來確認凌星過程。所以,我們實際上是做了全套的地面+太空觀測,并對數據進行了非常明智的分析。只有當候選者通過了所有檢驗,我們才會說這是一顆經過證實的行星。一旦我們宣布發現了一顆行星,我們就敢以我們的事業打賭,它肯定是一顆行星。如果我們說這是一顆位于宜居帶內的地球大小的行星,那么我們能夠保證,人類能夠想到的所有檢驗它的手段,我們都已經做過了。

關于行星的總數和類型,開普勒能告訴我們什么?

根據開普勒仍在增長的候選者名單,我們銀河系中包含至少1500億顆行星——也就是說,至少一半恒星都有行星相伴。3000個候選者大小不一,有比火星還小的,也有將近木星2倍大小的。個頭不到地球2倍大小的候選者約有1500個,它們很可能是巖石行星。大多數候選者類似海王星:它們是巨行星,既有巖石和冰構成的核心,也有氫和氦構成的大氣層,不適宜生命居住。不過我們預期許多“海王星”都有衛星。有幾個研究小組正在尋找這些衛星,因為有些衛星可能有地球大小,足夠溫暖,可供生命居住。

你在開普勒工作的這些日子里,什么時候最開心?

我讀到那些文章的草稿,列出證據證明那些行星并非推測,也非希望,而是確實存在的時候,我最開心。比如,在我讀到“我們發現一顆行星圍繞一組雙星旋轉”的時候。很長一段時間里,人們不相信行星能夠圍繞雙星旋轉。我們證明,它們確實可以。我還讀到文章說發現了高密度的小個子行星。我們確信它們是巖石行星,就像地球或者金星。這些文章讓我實在振奮不已。

在尋找行星的過程中,你對恒星也有了更多的了解,對吧?

事實上,開普勒帶來的最大驚喜之一就是,在我們監測的類似太陽的恒星里,有2/3在亮度方面的變化幅度都比太陽要大。我們不理解這是為什么。在137億年的宇宙中,太陽的年齡是45億年,相對年輕。我們原本預期,開普勒視野中的大多數恒星應該更老,而更老的恒星應該更安靜,變化幅度更小。但我們發現,它們大都相當活躍,所以我們看到的恒星或許比想象中的更年輕。

這些額外的變化特性對搜尋行星意味著什么?

這樣一來,把地球大小的行星產生的微弱信號從恒星的自然噪音中區分開來,就會更加困難。這意味著,我們需要觀察多于3次凌星,才能發現這樣一顆行星在圍繞類似太陽的恒星旋轉。我們需要至少6次觀測,實際上我覺得需要8次,才能真正確認,我們找到了地球大小的行星,正圍繞著像太陽一樣的恒星轉動。

你預計什么時候能夠宣布,你們發現了另一顆地球?

2012年,NASA批準我們再延期4年,一直運作到2016年。但在那之后,開普勒還得再過兩三年,才能找到我們最感興趣的行星。隨著這個項目一天一天在運作,它正變得越來越有價值。我們現有的數據非常好,但未來即將得到的數據才更令我們感興趣。未來我們將發現大量位于宜居帶的行星,它們到恒星的距離恰好足以維持液態水和可能的生命存在。這是一個巨大的回報。我們正在發現金砂,如果繼續下去,我們就能發現狗頭金塊。

你現在73歲了,還會繼續和開普勒一起工作到它的黃金時代嗎?

我好幾年前就可以退休了,退休金說不定比現在掙得更多。但這是一個機會,去尋找問題的答案:地球是普遍存在還是非常罕見?我為此工作了30年,我真的很想看到答案到底是什么。所以,我沒打算離開開普勒。

我們還能走多遠?即使開普勒發現一顆行星,它的大小以及到母星的距離都跟地球相似,我們也無法探測它的具體細節。我們怎樣才能確定,這些行星里哪一顆適宜居住,或者哪一顆上面確實存在生命?

開普勒的工作是觀測銀河系深處,告訴我們那里有什么。下一步的任務應該是觀測鄰近的恒星,確認哪些恒星有行星。歐洲空間局(ESA)正提議一個叫做柏拉圖(Plato)的項目,來做這樣的事情。NASA也有很多選擇,比如外星行星凌星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite),不過這些項目都還沒有得到資助。這一步完成后,我們必須建造更強大的望遠鏡,去檢查鄰近恒星的行星,尋找它們大氣層中的水、二氧化碳和氧氣等能證明它們可維持生命存在跡象。這些項目都會極端的昂貴,也會挑戰我們的技術水平。但這些任務都非常重要,值得去做。

想想還需要多么漫長的時間,我們才能真正造訪那些行星,是不是很令人沮喪?

當然啦。開普勒望遠鏡原定2006年發射,結果直到2009年才升空,這已經讓我覺得沮喪了。但在談論最新科技項目的時候,所做的事情都是從來沒有人做過的,延誤也很正常。

在這些年NASA所完成的科學項目中,你覺得開普勒能排到什么名次?

顯而易見,開普勒是第一名。沒有什么項目能跟開普勒相比。阿波羅工程有它自己的緣起,我才把它排到跟開普勒并列第一的位置。再往下,很往下了,才會是哈勃太空望遠鏡,它拍到了一些可愛的照片,告訴我們關于宇宙結構的情況。這很有意思。但開普勒才是NASA發射過的最偉大的探測項目。

 

轉自:http://www.guokr.com/article/425871/


上一條:塞巴斯蒂安?特隆,重塑在線大學課程
下一條:柳傳志:企業家應站在原點上看問題
建議反饋 返回頂部
性av无码天堂_免费播放日本av一区_亚洲avavav天堂