您现在的位置: 首页 >> 创业资讯 >> 创业人物 >> 送望远镜上天,去寻找外星行星!

送望远镜上天,去寻找外星行星!

稻草人老孙 发表于 2013.1.9| 点击数1633

开普勒望远镜是天文学家搜寻太阳系外第二颗地球的最佳利器,但它的启动绝非一帆风顺。来听听项目首席科学家比尔•博鲁茨基,聊聊开普勒望远镜背后的故事吧!

 

(文/Andrew Grant)1992年,比尔•博鲁茨基(Bill Borucki)向美国航空航天局(NASA)提出了一项大胆的建议:发射一架太空望远镜,去探测远在千万亿公里之外的地球大小的行星。NASA很快拒绝了这个建议。毕竟当时没有人知道太阳系外是否存在行星。但博鲁茨基不会轻易放弃,他是一位资深航天人士,曾经经历过把人类送上月球的阿波罗时代,那个时代的精神就是“永不言败”。

开普勒太空望远镜项目的提出者之一、首席科学家比尔•博鲁茨基。来源:sfgate.com

开普勒太空望远镜项目的提出者之一、首席科学家比尔•博鲁茨基

接下来,他花了十年时间打造各种部件,开展实验证明他的建议切实可行。2001年NASA终于“投降”,批准了开普勒太空望远镜项目,并取得了惊人的成果。自2009年升空以来,开普勒已经辨认出3000多颗候选行星,确认了100多颗行星,其中包括灼热的气态巨行星和拥有两个太阳的怪异行星系统。到2016年,开普勒将发现它最大的“产出”:大小及到所属恒星距离都非常类似地球的行星。

在一个典型的北加利福尼亚州宜人的下午,《发现》杂志助理编辑安德鲁•格兰特在NASA艾姆斯研究中心,博鲁茨基的办公室里,对他进行了采访。

加入NASA

是什么促使你喜欢上了月亮和行星?你一直都对天空感兴趣吗?

当然,童年时我已经对天文学很感兴趣。我会和朋友们骑自行车去叶凯士天文台,距离我在威斯康辛州德拉文的家大约有24公里。那时的夜空非常黑,你可以爬上楼顶看流星雨。

除了观测以外,你还对什么感兴趣?

我和朋友们造过火箭。我还记得一开始我们做过的一个火箭模型,大概5厘米高,钻了一个小孔可以往里面放火药。火药很容易弄到——那时候还没什么恐怖分子。后来我们造的火箭就很大了。我们用了直径好几厘米的钢管,装了好几千克的推进剂,火箭内部还放了无线电发射机,这样能收到信号把火箭再找回来。我们会事先打电话给警察局长,告诉他我们要发射火箭,他就会关闭这一地区的道路。要是火箭落下来砸死了牛,这才是真正的问题——你还得给农民赔牛钱。

你们砸死过牛吗?

从来没有。

你是怎么进入NASA的?

1962年,我在威斯康辛大学获得了物理学硕士学位,NASA是我唯一想去工作的地方。NASA有两个实验室给了我录取通知:一个是克利夫兰的飞机发动机研究实验室(今天的格林研究中心),另一个是加利福尼亚的艾姆斯研究中心。格林中心从事推进研究,艾姆斯中心正在为阿波罗计划设计隔热罩。两个机会看起来都很好,但父亲告诉我去西部吧。于是,我选了艾姆斯研究中心。

你是怎么拿到NASA两份录取通知的?成绩一定非常优秀吧?

你必须记住一点,当时NASA还没有登上月球。我们还不知道该怎么设计隔热罩,才能保护飞船安全通过大气层。我们不了解飞船要穿过的大气包含什么化学成分。有太多的事情我们都不懂,所以话说回来,你也不必非得是一流的学生才行。你不一定要有博士学位。基本上来说,你必须能够解决问题,而且是迅速解决,风格务实。

研制实用的隔热罩是你的第一个项目,对吧?

我们需要知道飞船返回大气层时会面对什么,所以我们必须在实验室中重现那些条件。我们想法是,用两尊大炮相互瞄准,一尊炮以15马赫的速度射出300磅(约136千克)空气,另一尊射出一个飞船模型穿过那些空气。飞船以如此高速穿过空气,在隔热罩前产生明亮的冲击波。我的工作室设计能够分析冲击波发光的仪器。这些测量能够告诉我们被加热空气中的化学过程,还能告诉我们隔热罩能否有效地保护飞船。

你如何设计出这样的实验,去检验从来都没人实验过的条件呢?

我们需要一把性能超出人们想象的枪。普通步枪不可能射出那么多气体。但艾姆斯研究中心有采购商,负责购买东西。我们给了他很多艰巨的任务,其中之一是要弄到海军战列舰上的大炮。他居然给弄来了!然后,我们就想办法把一尊炮旋进另一尊,让一尊炮开火进入另一尊里面,这样我们就造出了一尊巨炮,能够把所有空气通过超声喷嘴发射出去。你知道,我们需要在登月方面击败俄国人,所以那时候NASA没什么繁文缛节。我们奉行的哲学是:让我们做起来,快快地做起来!现在,你需要的大部分东西都得先填一堆表格,成本还比直接出去购买要贵得多。回想当年,我们在各方面都极端高效。今天的效率低多了。

1969年7月20日,看到阿波罗11号的宇航员成功登月时,你是什么感觉?

看到他们成功登上月球,在月球上行走,对我来说,这显然太有意义了。更有意义的是,看到他们平安归来。登月很伟大,平安回来更伟大。

阿波罗项目在1972年结束,登月很快就变得虎头蛇尾。接下来你在做什么?

NASA解雇了为阿波罗工作的每一个人。当时我想在艾姆斯中心再找一份工作。差不多就是到处走走,“你瞧,我会做很多事情,有什么问题需要我来解决吗?”后来,我写了好几篇漂亮的研究论文,内容涉及地球大气层和金星、木星及土卫六上的闪电。

开普勒望远镜对大约17万颗恒星进入不间断监测,如果有行星从它们前方经过,就能察觉到恒星亮度的微弱降低。来源:ientry.com

开普勒望远镜对大约17万颗恒星进入不间断监测,如果有行星从它们前方经过,就能察觉到恒星亮度的微弱降低。来源:ientry.com

提议开普勒

是从什么时候开始,你想去寻找其他恒星周围的行星呢?

艾姆斯研究中心总是有优秀科学家主持的讲习班。早在20世纪70年代,就有关于寻找太阳系外行星的讲习班了。一些人,比如弗里曼•戴森(Freeman Dyson,物理学家兼未来学家),在这个领域就非常活跃。他们的兴趣大多是,尝试用天体测量学寻找行星,也就是测量由于行星引力导致的恒星位置的变化。我对天体测量学一无所知,但我做过隔热罩,也研究过闪电,对光度学很熟悉——就是测量光的强度。我开始思考,也许光度学也是一种寻找行星的方法。我跟讲习班上的一些人谈过,但他们都不感兴趣。当时人人都相信,这项工作将由天体测量学来完成。

观测星光来寻找行星的想法,你是怎么发展出来的呢?

阅读文献很有帮助。我在1971年的《伊卡洛斯》上看到一篇文章,是一位名叫弗兰克•罗森布拉特(Frank Rosenblatt)的神经外科医生写的。这篇文章非常棒,探讨了如何通过测量其他恒星的星光,来寻找这些恒星周围的行星。如果一颗行星从恒星和你的望远镜之间经过,你会看到光的强度略有下降。不幸的是,罗森布拉特提交了这篇文章后不久,就在一条河上划皮划艇淹死了。但我和艾姆斯中心的天文学家奥德丽•萨默斯(Audrey Summers)开始研究罗森布拉特的文章,并进行了一些改进,然后我们自问,需要什么样的仪器才有能力进行这样的测量。1984年,我们在一篇文章中总结道,地面上的望远镜用这种方法能够探测到木星大小的行星。但对于小得多的地球大小的行星,就必须使用不受大气层干扰的望远镜,也就是要到太空里去。

那你做了什么,如何把一个宽泛的概念变成一个具体的计划?

艾姆斯中心有一个叫做“主任自由资助基金”的东西,NASA各中心可以用这笔钱去做各自想做的事情。我成功地申请到了一小笔资金,大约10000到15000美元,用来开一个工作室,或者造一台小光度计用于测量亮度。人们开始讨论,如何才能造出一台十分精确的光度计。我们对光度计的要求高得超乎想象:木星大小的行星从太阳大小的恒星前面经过时(这个现象称为“凌星”),星光会变暗大约百分之一。但对于地球大小的行星,光度计的精度必须提高1000倍,能够测出十万分之一的亮度变化。一步一步,我们开始弄清楚怎么才能达到这样的精度。

然后你就构想了一艘飞船,能够用这种方式来寻找行星?

是的。向NASA递交提案时,你必须列出来仪器上的每一个部件。我们知道,我们的飞船需要一架大望远镜和光学探测器,来持续不断地监测数千颗恒星,去寻找短暂的凌星过程。通过监测很多颗恒星,才能提高找到凌星的几率,而且你需要更多的统计手段,去估计银河系中存在行星的几率。从一开始,这个巡天项目的设计目的就是,确定在恒星周围可居住区域内存在地球大小行星的几率,也就是寻找能够维持液态水、可能存在生命的行星。如果这个几率很高,银河系内就可能存在大量生命,银河系外也是。如果“地球”很少,那么就很难找到生命了。

你是在什么时候第一次向NASA提出这个行星搜寻项目的?

1992年,复审的人很快就拒绝了。他们说不存在能做这样精确测量的探测器。我相信有,但当时还没有证据。两年后,我们又提交了这个项目的修改版,这次他们又因为资金问题拒绝了我们。NASA刚花了10亿美元把哈勃望远镜送上了太空,还在为哈勃光学系统对焦不准的惨败进行公关。他们担心再发射一台太空望远镜的花费。

你是怎么努力改变他们的想法的?

到了1996年,又有一次申请项目资助的机会。此时,我们已经用CCD做了光学测量,证明这种探测器应该足够精确,可以发现行星。我们还指出,1995年有人发现了第一颗围绕类太阳恒星转动的外星行星。为了搞定这件事,我们还必须做一件事,就是给这个项目起个好名字。前两次提案时,我们称它为“地球大小内行星几率”卫星,缩写为fresip。我自己觉得这个名字挺棒的,可其他人都讨厌。卡尔•萨根(Carl Sagan,他一直到1996年去世前都在为这个项目工作)和团队的另一位成员说:“比尔,我们改一下,换个更鼓舞人心的名字吧。比如,开普勒。”17世纪,约翰尼斯•开普勒(Johannes Kepler)提出了行星运行定律,我们至今仍利用这些定律来解释行星数据。他还创立了一些光学定律,帮助人们了解怎么正确地磨望远镜的镜片。我让步了。我们改了名字,在1996年又一次提出了项目申请。

然后,你又被拒绝了?

是的。已经证明探测器能够工作,已经证明我们这个项目费用比哈勃少,而且已经改了名字——但是还不够。NASA说,没有人证明过,你能够同时跟踪数千颗恒星,还能保持高精度。他们说:“去建个天文台吧,证明这事儿能做成。”于是,我们在离艾姆斯研究中心40多公里的里克天文台,借了一个已经有故障的老旧小圆顶,里面有台小望远镜。我们得封上屋顶,赶走地板下的蛇和老鼠。这里没有洗澡间,所以如果夜里想洗澡,就得经过一条会有美洲狮出没的小路,去有洗澡间的地方。但我们重建了这个天文台,架设好望远镜,完成了测量。我们证明,我们能够同时对6000颗恒星进行光度测量。1998年,我们又一次提出了开普勒项目。

这是第四次了,对开普勒项目是不是幸运数字呢?

不是——NASA又一次拒绝了我们。这次他们说,我们必须证明望远镜即使在轨道上,存在宇宙射线和其他干扰的情况下,也足够灵敏,能够探测到地球大小的行星。至少这一回,他们给了50万美元,让我们在实验室里证明这一点。艾姆斯研究中心也插手了,又借给我们50万美元。NASA总部认为,我们得花上两三年时间来设计和建造这堆东西,这样就会错过下次申请提案的时间,自己就放弃了,他们也好落个省心。

这次没有“采购商”帮忙,你得自己造个原型机了。你是怎么做的呢?

我们做了个壁橱大小的设备,长宽都是1.2米,高3米。在底部,我们放了个球,球里面装了灯。光从球中射出来,再穿过被一个用激光钻了很多孔的金属盘,每个孔代表一颗恒星。在顶上,我们放了一台小望远镜和一个CCD,测量所有“恒星”的亮度。然后我们晃动望远镜,就像在太空里会发生的那样。最困难的部分是要模拟只有百万分之84的亮度变化——这是地球大小的行星从太阳大小的恒星前面经过时产生的变暗幅度。即使把一块玻璃挡在一个孔前,导致的亮度降低也高达4%!所以,我们必须发明一些新的东西。我们用极细的电线横在孔的前面,然后给电线通电。电线发热后,直径方向会膨胀几个原子大小,正好挡住适量的光线。一切搞定之后,我们证明即使在太空里晃动的情况下,探测器也能完成这些观测。

NASA认为这个实验得花几年时间,你们实际上用了多久?

我们用了6个月就完成实验,发了一份技术报告给NASA总部,及时提交了申请书。2000年1月,NASA终于说:“我们投降了,来拿钱吧。”他们给了我们一些资助,但告诉我们得跟其他两个项目竞争。然后在2001年,他们正式批准了我们的项目,发射日期安排在了2006年。

但随后你们遇到了资金问题?

就在刚获得资助之后,NASA告诉我们,第一年还拿不到钱。我当时就抓狂了,团队的一些关键人员都想走了。幸好,当时NASA总部的科学项目主管安尼•金尼(Anne Kinney)弄到了钱,给了我们100万美元作起步资金。2005年,我们正在快速制造各种东西时,遇到了另一个问题。NASA在那个财年已经过去6个月的时候通知我们,他们不得不把我们的预算砍掉一半——这意味着我们已经把这一年所能得到的全部资金花光了。我们唯一的选择,只能是解雇所有的人。到第二年再雇新人,重新培训。结果,项目的总费用增加了好几百万美元,还造成了一年的延误。

即使遇到种种状况,你们还是在2009年准备好了让开普勒升空。发射前的准备阶段过得如何?

开普勒准备用德尔塔II型火箭发射。这种火箭的第三级有些毛病,引线工作不正常。有时它会在错误的时间点火,有时甚至根本点不着。就在发射之前,有两枚德尔塔火箭竖立在卡纳维尔拉尔角的发射台上,一枚要发射军方的GPS卫星,一枚要发射开普勒。军方的人告诉我们:“你们会先发射,我们想看看引线是否正常。”

这肯定让你更紧张了。

是有些焦虑。但经过这么多年之后,你对这种焦虑已经相当习惯了。

经过这么些年的计划,终于看到开普勒升空了,感受如何?

能看到开普勒进入轨道真是太棒了。但最大的兴奋来自于三四个星期之后,我们看到了它传回来的全帧图像。恒星都在上面。卫星没有抖动,照片非常棒。

开普勒望远镜在银河系一片很狭窄的区域内搜寻外星行星。来源:jonlomberg.com

开普勒望远镜在银河系一片很狭窄的区域内搜寻外星行星。来源:jonlomberg.com

搜寻外星行星

该说说具体细节了。开普勒搜寻行星,到底是如何工作的?

开普勒就像一个巨大的数码摄像机,一直对着天空中某个角落里的一组大约17万颗恒星拍照片。这个系统每6秒钟拍一张照片,然后记录每一颗恒星30分钟内的平均亮度。我们把所有这些数据在卫星上保存一个月,然后卫星掉头朝向地球,把数据传输给我们。

听上去数据量似乎大得让人不知所措,你们怎么处理它们呢?

我们每3个月分析一次数据。有很多因素必须考虑:卫星和电子系统的温度变化对恒星亮度的读数会有影响,还有一些恒星本来亮度就会变化。所以,我们必须测量所有这些不同的过程,然后把它们排除。这时候,我们才能寻找凌星,那些微小的亮度下降意味着行星的存在。我们有个计算机程序对所有数据进行搜索,寻找重复出现的微小的亮度下降;重复意味着你看到同一颗行星围绕恒星转了一圈又一圈。如果程序发现,某颗恒星出现了至少3次可能的凌星,并且时间间隔规则的话,就会把它标记出来,留待后续研究。

在你们观测的这17万颗恒星里,开普勒已经发现了多少颗新行星?

计算机已经标记出大约15000颗可能的行星,但其中存在大量的假信号。比如,有很多恒星彼此绕转遮挡,也会导致类似的亮度下降。所以在艾姆斯研究中心,我们有一个科学家团队进行鉴别筛选工作。他们审视所有的遮挡事例,从中辨认出看起来有希望的目标。这些目标就被称为“感兴趣的对象”,大约有4000个。然后,我们有另一个团队对这些目标进行非常细致的检验。如果某个目标通过了检验,我们就把它升级为“行星候选者”。我们已经辨认出3000多个候选者,我们相信其中大部分真的是行星。但我们不会称它们为行星,除非观测者能够证实它们。

天文学家怎么证实万亿公里之外的某颗恒星周围存在一颗行星呢?

他们用地面望远镜寻找行星对其母星的引力拖拽效应,再用太空望远镜,比如斯皮策望远镜,来确认凌星过程。所以,我们实际上是做了全套的地面+太空观测,并对数据进行了非常明智的分析。只有当候选者通过了所有检验,我们才会说这是一颗经过证实的行星。一旦我们宣布发现了一颗行星,我们就敢以我们的事业打赌,它肯定是一颗行星。如果我们说这是一颗位于宜居带内的地球大小的行星,那么我们能够保证,人类能够想到的所有检验它的手段,我们都已经做过了。

关于行星的总数和类型,开普勒能告诉我们什么?

根据开普勒仍在增长的候选者名单,我们银河系中包含至少1500亿颗行星——也就是说,至少一半恒星都有行星相伴。3000个候选者大小不一,有比火星还小的,也有将近木星2倍大小的。个头不到地球2倍大小的候选者约有1500个,它们很可能是岩石行星。大多数候选者类似海王星:它们是巨行星,既有岩石和冰构成的核心,也有氢和氦构成的大气层,不适宜生命居住。不过我们预期许多“海王星”都有卫星。有几个研究小组正在寻找这些卫星,因为有些卫星可能有地球大小,足够温暖,可供生命居住。

你在开普勒工作的这些日子里,什么时候最开心?

我读到那些文章的草稿,列出证据证明那些行星并非推测,也非希望,而是确实存在的时候,我最开心。比如,在我读到“我们发现一颗行星围绕一组双星旋转”的时候。很长一段时间里,人们不相信行星能够围绕双星旋转。我们证明,它们确实可以。我还读到文章说发现了高密度的小个子行星。我们确信它们是岩石行星,就像地球或者金星。这些文章让我实在振奋不已。

在寻找行星的过程中,你对恒星也有了更多的了解,对吧?

事实上,开普勒带来的最大惊喜之一就是,在我们监测的类似太阳的恒星里,有2/3在亮度方面的变化幅度都比太阳要大。我们不理解这是为什么。在137亿年的宇宙中,太阳的年龄是45亿年,相对年轻。我们原本预期,开普勒视野中的大多数恒星应该更老,而更老的恒星应该更安静,变化幅度更小。但我们发现,它们大都相当活跃,所以我们看到的恒星或许比想象中的更年轻。

这些额外的变化特性对搜寻行星意味着什么?

这样一来,把地球大小的行星产生的微弱信号从恒星的自然噪音中区分开来,就会更加困难。这意味着,我们需要观察多于3次凌星,才能发现这样一颗行星在围绕类似太阳的恒星旋转。我们需要至少6次观测,实际上我觉得需要8次,才能真正确认,我们找到了地球大小的行星,正围绕着像太阳一样的恒星转动。

你预计什么时候能够宣布,你们发现了另一颗地球?

2012年,NASA批准我们再延期4年,一直运作到2016年。但在那之后,开普勒还得再过两三年,才能找到我们最感兴趣的行星。随着这个项目一天一天在运作,它正变得越来越有价值。我们现有的数据非常好,但未来即将得到的数据才更令我们感兴趣。未来我们将发现大量位于宜居带的行星,它们到恒星的距离恰好足以维持液态水和可能的生命存在。这是一个巨大的回报。我们正在发现金砂,如果继续下去,我们就能发现狗头金块。

你现在73岁了,还会继续和开普勒一起工作到它的黄金时代吗?

我好几年前就可以退休了,退休金说不定比现在挣得更多。但这是一个机会,去寻找问题的答案:地球是普遍存在还是非常罕见?我为此工作了30年,我真的很想看到答案到底是什么。所以,我没打算离开开普勒。

我们还能走多远?即使开普勒发现一颗行星,它的大小以及到母星的距离都跟地球相似,我们也无法探测它的具体细节。我们怎样才能确定,这些行星里哪一颗适宜居住,或者哪一颗上面确实存在生命?

开普勒的工作是观测银河系深处,告诉我们那里有什么。下一步的任务应该是观测邻近的恒星,确认哪些恒星有行星。欧洲空间局(ESA)正提议一个叫做柏拉图(Plato)的项目,来做这样的事情。NASA也有很多选择,比如外星行星凌星巡天卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite),不过这些项目都还没有得到资助。这一步完成后,我们必须建造更强大的望远镜,去检查邻近恒星的行星,寻找它们大气层中的水、二氧化碳和氧气等能证明它们可维持生命存在迹象。这些项目都会极端的昂贵,也会挑战我们的技术水平。但这些任务都非常重要,值得去做。

想想还需要多么漫长的时间,我们才能真正造访那些行星,是不是很令人沮丧?

当然啦。开普勒望远镜原定2006年发射,结果直到2009年才升空,这已经让我觉得沮丧了。但在谈论最新科技项目的时候,所做的事情都是从来没有人做过的,延误也很正常。

在这些年NASA所完成的科学项目中,你觉得开普勒能排到什么名次?

显而易见,开普勒是第一名。没有什么项目能跟开普勒相比。阿波罗工程有它自己的缘起,我才把它排到跟开普勒并列第一的位置。再往下,很往下了,才会是哈勃太空望远镜,它拍到了一些可爱的照片,告诉我们关于宇宙结构的情况。这很有意思。但开普勒才是NASA发射过的最伟大的探测项目。

 

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

上一条:塞巴斯蒂安•特隆,重塑在线大学课程
下一条:柳传志:企业家应站在原点上看问题