读图模式松鼠老孙 天文学博士，出版社编辑，科学松鼠会成员
2013-01-07 16:46
“开普勒”空间望远镜
用于搜寻太阳系外行星的NASA“开普勒”空间望远镜，在2013年遭遇到一次严重故障——它的4个反作用轮中，第2个轮不再工作了（详见：
寻找外星行星的开普勒空间望远镜遭遇危机）。反作用轮是用来维持航天器在太空中确切指向的一种设备。失去两个反作用轮之后，这台价值6亿美元的空间望远镜不可能再精确指向，也就不可能再继续执行它原本的任务了。
“开普勒”空间望远镜，已经无力再维持原先的任务，但它仍存有一线希望，有可能发挥余热。图片来源：space.com
不过，“开普勒”仍存有一线希望。该项目的工程师和Ball航天技术公司已经提出了一个方案，使得“开普勒”在围绕太阳的轨道上运行时能够最大程度地减小航天器的飘移，让它有能力再次展开行星搜寻。NASA目前正在评估新提出的这项被称为“K2”的任务，预计明年年中将会作出最终决定。
这台空间望远镜于2009年发射升空，执行为期3年半的首期任务，以确定银河系中类似地球这样的行星到底有多普遍。自那时起，“开普勒”已经发现了超过3500个外星行星候选者，其中的绝大多数最终将被后续的观测所证实。
作者：Steed
链接：http://www.guokr.com/article/437782/
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发新帖开普勒空间望远镜的重生
Shea 科学松鼠会成员，天文学博士
2015-12-11 22:56
Will Gater 文 Shea 编译
美国宇航局的太阳系外行星搜寻利器正在履行一项新的使命。
如果有一件事情是所有的太空冒险活动都必须面对的，那就是终有一天飞船会在太空深处失去控制。大量的科幻作品中都可以看到类似的情节，但对于美国宇航局（NASA）的开普勒空间望远镜来说，它却实实在在地体验了一把。
发射于2009年，“开普勒”被誉为是NASA搜寻太阳系外行星的旗舰任务。它的使命看上去很简单：如鹰一样地紧盯着位于天空中一片区域里的约15万颗恒星，该天区位于两颗亮星天鹅座天津四和天琴座织女星之间。“开普勒”上搭载有一个极其灵敏的照相机，它会精确地记录下这些恒星的亮度。如果它发现有任何一颗恒星的亮度出现了暂时地下降，这有可能是有一颗行星从其前方经过所造成的，该现象被称为凌星。天文学家特别希望用这架空间望远镜来寻找位于其他恒星周围宜居带内的地球大小的行星，在宜居带中行星的表面可以有液态水存在。
[图片说明]：在此前的任务中，“开普勒”所发现的太阳系外行星开普勒-186f，其大小只有地球的1.1倍。这里给出了开普勒-186系统和太阳系以及开普勒-186f和地球的比较图。版权：NASA/Ames/JPL-Caltech。
首战告捷
“开普勒”的观测大获成功。至今，它发现了近1 000颗已被证实的太阳系外行星。其中，被称为开普勒-186f的行星距离我们太阳系约500光年，大小是地球的1.1倍。
然而，要做出如此非凡的成绩并且紧盯天空中的一小片区域，需要“开普勒”有非常精确地指向能力。使用反作用轮装置是这里的关键。
“开普勒”发射时配备了4个反作用轮。它们工作的原理类似于儿时玩的陀螺。通常，维持一个航天器的指向需要3个反作用轮，分别控制：滚动、偏航和俯仰。通过调整反作用轮的转速，“开普勒”可以以极高的精度指向任何给定的方向。每一个反作用轮平稳的工作是“开普勒”的眼睛能持续锁定目标的根本。其偏差远小于其测光器件上像素的尺寸。
但是，从2012年7月起问题开始出现。有一个反作用轮停止了工作。之后，在2013年5月第二个反作用轮失灵。没有3个能够正常工作的反作用轮，就无法维持指向。这个太阳系系外行星猎手的前景一片暗淡。当得知第二个反作用轮失灵之后，天文学家都很遗憾。不过，事情并没有就此结束。科学家和工程师们深入研究了其中的细节，下载了大量的工程数据，评估“开普勒”的状况。事实上，只用了几个月的时间，他们就提出了一个方案来挽救“开普勒”。
只有两个工作的反作用轮，照射到船体的太阳光其辐射压会渐渐地把它推离本应观测的天区。然而，工程师们发现，以一种特定的方式来调整“开普勒”的指向可以减轻这种影响并稳定住船体，从而使得它能够再一次进行观测。这一方案得到了批准，目前“开普勒”正在迎接一缕新的曙光，NASA将它的下一阶段使命称为K2任务。
不同于仅研究一个天区中的恒星，在K2任务中“开普勒”将观测天空中的多个天区，对每个天区的观测会持续约为80天的时间。尽管这与“开普勒”最初的设计有着巨大的差异，但这并不意味着它的探测能力会有所下降。反向，K2可以做出许多“开普勒”此前无法实现的科学发现。通过观测多个天区，它可以观测到大量之前无法看到的天体。
[图片说明]：利用太阳光压来平衡“开普勒”指向的示意图。版权：NASA Ames/W. Stenzel。
“开普勒”的新目标
事实上，“开普勒”的K2任务会研究众多不同类型的天体，包括超新星、太阳系行星以及太阳系外行星等。K2所有的观测都由天文学家来提案，一个独立的科学评估组会决定最终的目标，他们每一期观测都会评估超过100份的提案。
一些天文学家希望K2任务能有助于了解一类重要的小行星——近地小行星。这些如一座山那么大的小天体就位于地球轨道的附近，既诱人又让人提心吊胆。偶尔地，其中一个就会撞上地球，就像2013年2月发生在俄罗斯车里雅宾斯克上空的爆炸事件；而另一些所包含的物质则可能价值数十亿美元，当然前提是你能得到它的话！对于太空探索而言，它们也是很好的中间站。在去往更遥远的火星之前，近地小行星无疑是绝佳的练兵场。
虽然天文学家已知超过11 000颗近地小行星，但仍有许多依然未知。对近地小行星特性的研究远落后发现它们的速度。每年大约可以发现1 000颗近地小行星，但其中只有约10%会被进行跟踪研究。
特别是，天文学家们想利用“开普勒”来研究其中一些的形状。和月亮不同，近地小行星完全不呈球形，倒是更像土豆甚至呈哑铃形。那么该如何探测它们的形状呢？所有的小行星都会自转，当一颗哑铃形小行星的长轴朝向我们的时候就会更亮一些。这时就需要“开普勒”的高灵敏度来探测其亮度的微小变化。
跟踪小行星的亮度变化不仅能告诉我们它的自转速度，还能提供其形状的信息。有了高精度测量的结果之后，就可以对其进行“断层扫描”，确定出它的三维形状。虽然仅分配给近地小行星少量的观测时间，但K2一年仍能测量约200颗小行星的亮度变化并确定它们的形状。
[图片说明]：在K2任务中，“开普勒”将会观测的天区。版权：NASA Ames/JPL-Caltech/T Pyle。
搜寻其他行星
当然，K2的许多提案都涉及到研究太阳系外行星。有天文学家希望用它来寻找位于某类特殊恒星周围宜居带内的地球大小行星。
“开普勒”之前的主要任务是确定在其他类太阳恒星周围宜居带内陆球大小行星的数量。这里的最大难点是，类太阳恒星的宜居带都位于远离该恒星的地方，因为这些恒星的温度非常高。地球绕太阳一周需要一年的时间，所以若记录下3次凌星事件才能确认一颗太阳系外类地行星的话，这就需要至少3年的时间。
因此，验证这些行星确实存在其实要花好几年的时间。不但如此，这些行星在凌星时，使得其宿主恒星亮度下降的幅度也极其微小。综合这两者，在一颗类太阳恒星周围的宜居带中发现一颗地球大小的行星就绝非易事了。考虑到这些原因以及天文学家现有的仪器设备，于是类太阳恒星就并非是搜寻宜居太阳系外行星的最佳场所了。
相反，远比太阳小得多的红矮星则有望成为K2的探测目标。地球大小的行星凌一颗红矮星所造成的亮度下降是它凌一颗类太阳恒星的100倍。红矮星的温度要比太阳低得多，这意味着它的宜居带会更靠近该恒星。
因此，在这些宜居带内的行星公转一圈也许只要几周的时间，使得天文学家可以在相对较短的时间跨度里探测到数次凌星的现象。这样会更有利于对这些凌星信号的确认。此外，虽然这些红矮星并不明亮，但它们的数量非常庞大，占银河系恒星总数的约70%。
天文学家并不只想仅仅发现围绕这些恒星的行星，他们还想就此使用斯皮策空间望远镜和哈勃空间望远镜来对它们进行深入研究。这些后续的观测能让我们确定这些行星是否是由岩石构成的，是否有大气层，是否具有剧烈的气候模式，是否最终能在其大气层中探测到生命迹象。
无论“开普勒”、“斯皮策”还是“哈勃”都不具备探测太阳系外行星大气层中生命信号的能力，这是未来更为先进的詹姆斯·韦布空间望远镜将要去做的。不过，天文学家仍然希望能为韦布空间望远镜的后续观测找到一个潜在的目标。天文学家还没有找到一颗在尺寸和质量上都与地球相似的太阳系外行星，不过已经知道的是这些行星应该很普遍，只要在2018年“韦布”发射之前找到它们即可。K2任务只是搜寻这些行星的项目之一。
[图片说明]：在对K2任务进行工程测试时所拍摄的图像，所圈出的是2个疏散星团M35（上）和NGC2158（下）。版权：NASA Ames/T Barclay/W Stenzel。
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这些其他的项目中也包括了“开普勒”的继任者——凌星外星行星巡天卫星（TESS）。一旦于2017年发射，TESS的工作就是对整个夜空进行巡天，以和“开普勒”相同的方式研究超过20万颗的恒星。它的“眼睛”由4块强大的CCD照相机和镜头组成，视场可以达到约24度。和“开普勒”一样，TESS也可以捕捉到一颗太阳系外行星从其宿主恒星前方经过时所导致的亮度微小变化。
TESS将侧重于寻找位于宜居带内、尺度介于地球和海王星之间的行星。它将仔细研究的恒星都是近距离的亮星。这一点对于分析这些恒星周围行星上的大气层而言非常重要。天文学家希望能为未来的观测设备提供发现地球大小行星的最佳候选体。
“开普勒”团队估计，K2拥有足够的剩余燃料可以持续工作2～4年。随着TESS在几年之内升空，“开普勒”的新任务毫无疑问将远不止是一架空间望远镜重获新生那么简单——它将是搜寻一颗真正与我们地球相似的行星的开始。
图片版权：NASA
1. 遮阳板
这块板能挡住太阳光，避免污染开普勒的测量结果。太阳离我们太近，它比开普勒所监测的普通恒星看起来平均要亮大约10的15次方倍。
2. 光度计
这个测光设备负责跟踪相当于400个满月大小的视野中的恒星。每过6分钟，搭载的计算机就读出每个像素上收集到了多少星光。
3. 冷却系统
开普勒的灵敏探测器要求工作温度大约为-84摄氏度。细小的管道中流动的氨和丙烷对设备进行冷却。
4. 太阳能板
太阳能电池能够提供超过800瓦的电力。开普勒围绕太阳运行过程中指向是不变的，所以每3个月它必须转动一次方向，调整太阳能板朝向太阳。
5. 天线
开普勒每月有一次，就要停止工作一天，把超过10G的数据发回到地球。地面上有非常复杂的软件分析这些数据来寻找行星的迹象。
开普勒太空望远镜是一台极度复杂的设备，但这个重达1043千克（2300磅）的天文台的核心功能实际上是很简单的：就是光收集器。来在天鹅座方向大约17万颗恒星的星光进入到94厘米（37英寸）望远镜中，引导进入一个9500像素的阵列。每个像素就像一个收集星光的小桶，恒星越亮，对应的每个小桶中收集的星光越多。大多数时间里，每个像素里进入的星光速度是不变的。开普勒项目的科学家们感兴趣是星光变暗的那段时间——它暴露了有颗行星正在从恒星前面经过。
——安德鲁·格兰特
