开普勒空间望远镜重获新生

在进行了4年富有成效的行星搜寻工作之后，如果不出其他意外的话，开普勒空间望远镜即将变革天体物理学的一些新领域。

2 0 1 3年5月1 4日，开普勒空间望远镜又有一个反作用轮失灵。4个反作用轮中虽然还有2个在工作，但这无法稳定它的姿态。失去了精确指向的能力，就意味着“开普勒”将无法继续进行其搜寻太阳系外行星的主科学任务。

距离地球6 0 0 0万千米，再加上不由自主的翻滚，任何一个缺乏决心的团队都会放弃这架空间望远镜。但是，“开普勒”团队没有放弃，他们想出了一个方法——用太阳光帮助维持“开普勒”的指向。就像在指尖上平衡一支铅笔，科学家精心调整了“开普勒”的姿态，使得照射到它的太阳光能够对它施加一个不变的外力。于是，太阳光压充当了“开普勒”失灵的第二个反作用轮，稳定住了这架空间望远镜，让它能够在几个月的时间里对准天空的某一片特定区域。为了防止阳光照射进望远镜，“开普勒”每8 3天必须调整一次指向。

在沉寂了1年多之后，“开普勒”重回天文学研究的第一线。

凌星致暗

“开普勒”让在其他恒星周围发现地球大小的行星变成了现实。如果在遥远的恒星系统中有什么东西——例如一颗行星——恰好从恒星前方经过，它的遮挡会使星光的强度降低。没有人怀疑这一点，只是过去无法探测到这一光变。

为了从技术上做到这一点，科学家花了几十年的时间，其结果是一架空前强大的空间望远镜，通过它可以观测一大片天区，同时测量数千颗恒星亮度的微小变化。由此，天文学一跃进入了太阳系外行星大量涌现的时代。

“开普勒”于2 0 0 9年3月6日发射，经过几轮测试之后，于当年5月1 2日开始收集数据。研究团队认为，他们可以确保这架耗资6亿美元的望远镜正常工作4年。然而，就在4年刚过2天的时候，它的第二个反作用轮失灵了。

在这4年里，“开普勒”发现了约1 0 0 0颗已被证实的太阳系外行星、超过4 0 0 0个行星候选体，以及2 0 0 0多对食双星。就在几十年前，谈论其他恒星

周围存在类地行星还只是科幻小说的范畴。即便在主序星周围发现了行星，大多数也是热类木星——极其靠近其主恒星的气态巨行星。虽然没有发现地球真正的孪生兄弟，但“开普勒”将其向前推进了一大步。

“开普勒”最初的观测区域位于天琴座和天鹅座，它收集的有关变星和脉动恒星的观测数据是一座丰饶的宝藏。这片天区包含1 5万颗普通的恒星，它们极有可能都拥有可以被探测到的行星。之所以选择这片远离黄道面——地球绕太阳公转的平面——的天区，是为了让“开普勒”能始终避免太阳光的干扰。

于是，“开普勒”可以一刻不停地监视这一天区中的恒星，这是进行行星普查最可靠的办法。不幸的是，当反作用轮失灵之后，这一点就变得遥不可及了。

作用与反作用

寻找地球大小的行星需要在测光和指向上做到稳定与精度兼顾。为了维持三个自转轴的稳定，“开普勒” 需要三个能正常运转的反作用轮。它们安装在“开普勒”的外部，在低摩擦轴承上高速转动。当它们在某个方向上旋转时，“开普勒”就会在另一个方向上缓慢自转。反作用轮的优点之一是它们由“开普勒”的太阳能电池板供电，这让天文学家可以在不耗费宝贵且有限的燃料的情况下调整它的指向。反作用轮为“开普勒”提供的稳定性，与转动的自行车车轮能让你保持平衡的原理是一样的。想要充分认识反作用轮的重要性，你不妨在保证安全的前提下试着在轮子不转时保持自行车的平衡。

当任务刚刚步入第3个年头时， 第2号反作用轮率先失灵，这虽然令人沮丧，但并不致命。工程师仍有3个可用的反作用轮，不过已经没有备份。与位于地球附近的哈勃空间望远镜不同，“开普勒”位于一条周期为3 7 2. 5天的环太阳轨道上，因距离地球太远而无法派宇航员前去维修。所有人只能祈祷，希望另一个反作用轮千万别出问题。

然而，要发生的事情总会发生。在故障发生前几个月，第4号反作用轮便一直不太“正常”。“开普勒”会每周两次把它的健康状况发回飞行控制中心，“开普勒”团队发现，第4号反作用轮时不时地显现出不稳定的摩擦信号。

2 0 1 3年5月1 4日，“开普勒”突然进入了安全模式（一种保护状态），其太阳能电池板对准太阳，等待从地球发出的指令。所有人都立即怀疑是不是第4号反作用轮出了问题——这个反作用轮已停止转动，电机却拼命想让它转起来。这是一场致命的灾难。

天文学家不得不感叹“开普勒”的死亡。尽管美国航空航天局表示其任务可能并不会就此结束，但科学家都明白它再也无法像最初设计的那样运转了。看起来，该任务搜寻地球大小的行星的主要科学目标不得不就此告一段落。

不过，美国航空航天局在设计“开普勒”时已经考虑到了这一天。它的推进器已经开启，以维持自身的稳定性。“开普勒”由此进入一个稳定自转的状态，让它可以与地球保持通信。

如果是你自家用的望远镜出现了这种情况，并不是一个无法解决的问题，你只需要跟着目镜转动自己的头部即可。然而，随着“开普勒”的转动，它会在探测器上把星像拉成弧形，而不是点状。对测量亮度的微小变化来说，维持点状的星像是至关重要的。

双轮平衡

美国航空航天局在数周的时间里试图通过发送指令修复两个失灵的反作用轮。虽然它们最终开始了转动，但因受到的摩擦过大，使得整个探测器都在振动，无法获得有用的科学数据。最终，美国航空航天局在2 0 1 3年8月宣布修复方案失败，该任务的数据采集工作正式结束。但是，这并不意味着完全放弃“开普勒”。

工程师发现，如果指向恰当，可以利用太阳光的力量作为“开普勒”的第三个反作用轮。和太阳吹出的高速带电粒子风完全不同，施加在船身上的阳光辐射的压强非常微小——相当于在桌面上落一只苍蝇的压强。虽然微小，但原则上这一持续的作用力可以让摇晃的“开普勒”重新保持平衡。

要利用阳光就必须让“开普勒”“躺”在黄道面上，所能观测的天体也受限于此。最节能的方式是让“开普勒”与阳光入射的方向保持垂直，在创造性地利用推进器来辅助的情况下，天文学家可以安排出一系列长达8 3天的观测区间。虽然不如最初的“开普勒”，但足以用来探测短周期系外行星凌星以及其他许多天体物理事件。

在此，你不得不为工程师拍手叫好。他们找出了调整这架望远镜指向的最佳方案，然后和天文学家一起对在这一方案下是否仍可以进行科学观测做出了评估。现在，工程师和天文学家每周都会召开会议，不断地修改对“开普勒”的科学期望值。在阳光的辅助下，“开普勒”几乎能够做到与之前相同的测光精度，但指向的是黄道面上的不同位置。

和之前仅盯着一片天区不同，现在“开普勒”也可被用来观测年轻而活跃的恒星、星系、恒星形成区以及其他天体。拥有获得如此高质量数据的能力自然引起了天文学界的兴趣，短短几个月内，天文学家针对只有2个反作用轮的“开普勒”提交了4 2项科学提案。

一切问题就都解决了？差不多，但是还缺少资金。随着“开普勒” 任务的结束，其运营预算也在2 0 1 4年1 0月1日归零。为了证明它仍然值得注资，“开普勒”团队在2 0 1 4年春向美国航空航天局的运转任务资深评估委员会提交了一份提案。命运掌握在他们手中。即便“开普勒”有口皆碑，但再次获得资金绝非理所当然，它要和其他8个已经完成了主要任务的项目一同竞争。

在停止自主观测之前，“开普勒”每年有1 8 0 0万美元的预算。最终，美国航空航天局批准其扩展任务的成本为每年1 0 0 0万美元，比管理团队要求的少了约1 0%。与此同时，对其第一阶段所采集数据的分析工作仍在进行，每年耗资约8 0 0万美元。

在确保了资金之后，“开普勒”团队解决了一大后顾之忧。2 0 1 4年9月，美国航空航天局对其所剩燃料进行了重新评估，发现足以用到2 0 1 7年，甚至更长。

由此，“开普勒”彻底浴火重生。它的新使命被称为K2任务。

人见人爱

如果一切顺利，K2将有望填补天体物理学中多个重大的空白。2 0 1 4年春，工程师进行了一次初步的工程试运行，在2 0 1 4年年底前完成了两组科学观测。K 2团队高兴地报告称，虽然其目标天区发生了很大变化，但“开普勒”探测光强微小变化的能力并没有大幅削弱。想象一下夜晚的上海金茂大厦，每间房间都亮着灯，有个人走到窗口前，把窗帘放下了几厘米。“开普勒”可以测量出由此导致的亮度变化。

虽然所观测天区的许多地方此前都被勘测过，但仍有许多目标值得一看。每一个易于观测的新天区都包含约1 0 0 0 0个天体。天文学家很少有机会利用这么精密的仪器来获取数据。但现在，每过半年左右的时间，天文学家就有机会提出自己的观测项目了。

天文学家将利用K2任务对星团中的系外行星进行一次普查。这些星团的年龄从仅2 0 0万岁到和银河系的年龄相当，由此可以补充我们对恒星系统演化的认识。对试图精确测量双星系统的质量、直径和其他特性的天文学家来说，在K2的每次观测中都会看到十几对新的食双星。

K2也有助于对超新星的研究。通过监视1 0 5平方度的天区（相当于北斗斗勺2倍大小的区域），在每次超过2个月的不间断的时间里，K2几乎肯定会捕捉到几个遥远星系中的超新星爆发。“开普勒” 每观测1 0 0 0个星系，就有希望发现一颗超新星。K2将观测超新星爆发前的星系、爆发中的超新星以及逐渐变暗的超新星。这完全是独一无二的，目前还没有其他任何仪器能提供这些重要的信息。

令人特别感兴趣的是Ia 型超新星，它们具有相同的最大亮度，使其可被作为标准烛光用来测量宇宙中的距离，告诉我们宇宙有多大。目前，天文学界对Ia 型超新星的成因仍有很大争议，K2的观测有望排除一些理论模型。

如果K 2任务能坚持到第9次观测，它的视场将指向银河系中心附近，这让研究黑洞和X 射线双星的天文学家欣喜不已。在第9次观测中，“开普勒”将对准巴德窗口。这是一片无尘的天区，为观测银河系的核球提供了一个较为开阔的视野。天文学家希望，可以通过此次观测来寻找银心方向上的恒星周围行星的微引力透镜效应。在这些微引力透镜效应中，行星的引力场会放大背景光源的亮度。K2的精度可以让天文学家更好地普查银河系中低温的小质量行星以及流浪行星。

当然，这一切都不意味着在对K 2 任务进行工程测试时拍摄的图像，圈出的是两个疏散星团M35（上）和NGC2 1 58（下）。天文学家乐意看到“开普勒”的反作用轮出现故障。继续监视原来的天区有助于我们找到更多类似太阳系行星的行星——它们的大小与地球相似，轨道周期也更长。无法实现这一愿望令许多天文学家深感遗憾。

但天文学家习惯了物尽其用。恶劣的天气、天文事件发生在不利于观测的时间、身处不利的地理位置等，他们一直承受着不可抗因素的影响。尽管有这个优良的传统，但当“开普勒”获得新生时，许多天文学家仍对此赞叹不已。

在发现了数以千计的行星候选体之后，“开普勒”已彻底改变了人类的宇宙视野。现在，作为一架把目光转向黄道的空间望远镜，如果一切顺利，它将有望在许多科学领域中带来新的惊喜。