一轉眼，開普勒探測器的繼任者，NASA的凌日系外行星巡天衛星苔絲（TESS）已經快要工作滿一年。 


TESS探測器的假想圖。來源：NASA 

　　發射于2018年4月18日的TESS探測器，截止到2019年4月7日已經在軌353天，發現了9顆系外行星。 


TESS探測器實況。來源：NASA 

　　它和前輩開普勒探測器一樣，以凌日觀測為主要手段，繼續在廣闊的太陽系之外搜尋新的行星，尤其是地球這樣的系外行星。 

薪火相傳。來源：NASA 

　　說到苔絲，開普勒探測器是繞不開的。 

　　應運而生 

　　在20世紀的尾聲里，人們終于窺見了太陽系之外的行星世界。1992年，人們在脈沖星PSR B1257+12周圍第一次發現了系外行星PSR B1257+12B和PSR B1257+12C；1995年，人們首次在主序星飛馬座51周圍發現了系外行星飛馬座51b。 

　　我們已經知道系外行星確實是存在的，但到底有多少恒星有行星環繞？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？新世界的大門已經打開，但想要繼續探索還需要招募一位勇敢而勤奮的獵手——從20世紀90年代，科學家們就開始規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]。 

　　然而，一方面是技術和精度上的限制，一方面是經費上的捉襟見肘，這個系外行星搜尋提案屢次被否決。直到2000年，屢經修改后的開普勒任務第5次提案終于在26個候選提案中脫穎而出，被NASA的知名摳門項目Discovery項目選中…和另外兩個提案一同參加下一輪三進二的選拔… 

　　2001年12月，開普勒探測器最終被選中成為Discovery項目的第10個任務，獲得了3億美元的預算支持（最終花費了5.5億美元）。值得一提的是，同時被選中的另一個任務就是探索小行星帶的黎明號探測器，兩顆探測器原計劃都是在2006年發射[2, 3]，但由于預算的問題，兩顆探測器都沒能如期發射，而是分別延遲到了2009和2007年。 

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

搭載開普勒探測器的德爾塔II火箭點火。來源：NASA[4] 

　　這顆以開普勒三定律的提出者，偉大的天文學家約翰內斯·開普勒命名的探測器，職責是持續搜尋新的系外行星。而它更大的野心是：尋找地球的同類。更準確地說，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行星。 

　　勤奮搜尋 

　　在開普勒任務正式通過之前，人們只發現了大約80顆系外行星，而且全部都是類似木星那樣的氣態巨行星，這是因為越大的天體越容易被發現。而開普勒探測器則把目標提高到了能探測到和地球差不多大甚至更小的天體。為了達到這個目標，開普勒探測器采用了一種簡單粗暴的搜索方法——“凌日法”。 

　　凌日法的原理很簡單：一顆恒星發出的光如果沒有遮擋的話應該會始終都一樣亮，也就是說，亮度曲線是一條直線。但當有行星飛過時，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反復觀測，然后對比觀測數據中的亮度變化。而且發現一次“缺口”還不夠，同樣的凌日事件重復觀測到3-4次以上，才能最終確認確實有一顆系外行星。 

　　因此，開普勒探測器的設計軌道是一個環太陽軌道，而且在環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，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 

　　在最開始的四年，開普勒探測器始終只指向天鵝座和天琴座那一片方向，總計追蹤的恒星超過15萬顆。 

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

　　再煥新生 

　　開普勒探測器原本的設計壽命只有3.5年，然而，由于開普勒探測器的實際探測精度沒有達到原本的預期，項目組的評估認為開普勒探測器必須持續觀測到2016年才能達到原本的任務目標。不過好在開普勒也確實運行良好，因此2012年11月，NASA正式宣布開普勒初期任務結束，開始長達4年的拓展任務[6]。 

　　然而，這個如意算盤沒有持續多久，因為開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。動量輪是用來控制探測器的姿態的。開普勒一共四個動量輪，而它最起碼需要三個才能正常工作（三個垂直的方向各一個），也就是說，一個壞掉是沒關系的。 

　　2012年7月14日，第一個動量輪壞掉了。2013年5月11日，拓展任務開始才半年，開普勒探測器的第二個動量輪也壞掉了[7]。雖然在短期內，開普勒可以向黎明號一樣采用推進劑+動量輪的混合模式來維持原本的姿態，但在對動量輪嘗試修理無果之后，NASA還是認為這不是長久之計。 

　　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穩定，而同時隨著太陽角度的變化，大約每80天就要利用推進劑調整一次姿態，以重新達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（每個區域的觀測稱為一個campaign field）[8]。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命成功，進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（包括測試周期）。來源：NASA[9] 

　　就這樣，頑強的開普勒又硬生生撐了好幾年。終于，在2018年9月26日完成K2的第19個觀測周期并成功傳回數據之后，開普勒沒能再開啟第20個觀測周期。2018年10月30日，NASA正式宣布開普勒探測器耗盡燃料，任務結束。 

　　戰功赫赫 

　　在2001年底，開普勒任務正式通過之前，人類只發現了約80顆系外行星。而到了2018年底，人類已經確認發現了約3800顆系外行星——其中有2662顆都是開普勒探測器發現的，占了70%。 


9年多的飛行，觀測了53萬多個恒星系統，確認發現了2662顆系外行星。來源：NASA[10] 

　　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，行星系統可以有多么豐富多彩，傳統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 

　　同時，開普勒探測器留下的海量數據也是一筆巨大的寶藏，留待科學家們在接下來的幾十年里慢慢發掘。 

　　結語 

　　除了還在勤奮搜尋中的苔絲探測器之外，還有以詹姆斯·韋伯號為首的許多空間望遠鏡會在接下來的數年里相繼發射，以不同的方法和視角去探索系外行星的方方面面——相信這些新的獵手們一定會給我們帶來更多驚喜。 

詹姆斯韋伯望遠鏡設計圖。來源：NASA 

　　參考文獻： 

　　  

　　[1] NASA | A Brief History of the Kepler Mission 

　　https://www.nasa.gov/kepler/overview/historybyborucki 

　　[2] NASA | NASA AMES’ KEPLER MISSION SELECTED FOR DISCOVERY PROGRAM 

　　https://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/2001/01_107AR.html 

　　[3] NASA | JPL Asteroid Mission Gets Thumbs Up from NASA 

　　https://www.jpl.nasa.gov/releases/2001/release_2001_245.html 

　　[4] NASA | Kepler's Launch 

　　https://www.nasa.gov/kepler/keplers-launch 

　　[5] NASA | Exoplanet and Candidate Statistics 

　　https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/docs/counts_detail.html 

　　[6] NASA | NASA's Kepler Completes Prime Mission, Begins Extended Mission 

　　https://www.nasa.gov/home/hqnews/2012/nov/HQ_12-394_Kepler_Completes_Prime_Mission.html 

　　[7] NASA | Kepler Mission Manager Update 

　　https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/news/keplerm-20130521.html 

　　[8] NASA | K2 Campaign fields 

　　https://keplerscience.arc.nasa.gov/k2-fields.html 

　　[9] NASA | Kepler Mission Manager Update: K2 Has Been Approved! 

　　https://www.nasa.gov/content/ames/kepler-mission-manager-update-k2-has-been-approved 

　　[10] NASA | Kepler By the Numbers – Mission Statistics 

　　https://www.nasa.gov/kepler/missionstatistics

苔絲發射一周年，你還記得開普勒么

圖文簡介

摘要：一轉眼，開普勒探測器的繼任者，NASA的凌日系外行星巡天衛星苔絲（TESS）已經快要工作滿一年。它和前輩開普勒探測器一樣，以凌日觀測為主要手段，繼續在廣闊的太陽系之外搜尋新的行星，尤其是地球這樣的系外行星。在2001年底，開普勒任務正式通過之前，人類只發現了約80顆系外行星。而到了2018年底，人類已經確認發現了約3800顆系外行星——其中有2662顆都是開普勒探測器發現的，占了70%。