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7月24日，美国航空航天局宣布，“开普勒”空间望远镜发现了迄今为止与地球最为相似的太阳系外行星——开普勒‑452b。目前，人类已知的大部分类地系外行星都是由“开普勒”发现的，这个“类地行星神探”已发现了4 696个系外行星候选者，确认了1 030颗，其中有12颗宜居带内的系外行星直径介于地球的1～2倍之间，它们都有可能与地球相似。那么，“开普勒”空间望远镜是如何寻找这些系外类地行星的呢？

自证不孤独

现在，人类已找到了三类太阳系外行星大量存在的明显证据，它们分别是气体巨星、短周期轨道上炽热的超级地球和冰巨星。在这其中找到类地行星是目前科学家们最想去挑战的。所谓类地行星简单说就是类似于地球的行星,由岩石构成，围绕像太阳的恒星运行，可能孕育着生命。比如，大小为地球的一半到两倍，而且还处在恒星周围宜居带的行星，表面很可能有液态水的存在。

长期以来，人类一直通过各种办法在太阳系外寻找类似地球的行星，但最大的困难之一就是缺乏观测手段。因为在类似太阳系的遥远星系中，恒星和行星的距离往往较近，而恒星发出的强烈光芒会掩盖行星，使地球上的天文望远镜观测不到。

以前，大部分的太阳系外行星是通过测量“视向速度”法，即测量速度法来发现的，根据多普勒效应，恒星的“视向速度”可以从恒星光谱线的移动推导出。这种方法很有可能发现靠近其恒星的大行星，然而它对于和地球质量相仿的低质量行星并不敏感。

早在2009年以前，人类就已发现了342颗太阳系外行星，不过它们绝大多数属于类木行星，即都是体积比较大，表面是气体，类似于木球的行星，据信其中没有一颗适于生命存在。这样的结果主要是由于当时的探测方式和技术水平所决定的，但并不能说明太阳系外不存在类地行星或有生命存在且与地球大小相当的行星。怎么办？

2009年3月6日，美国发射了用于寻找太阳系外类地行星的空间望远镜——“开普勒”。其“绝活”是把全球体积最大的光度计带到太空中去了，该装置能帮助搜寻太阳系外类地行星。

“凌星”测量大法

如今，“凌星”法是公认的更适合发现像地球大小星体得测量方法。所谓“凌星”，简单描述就是在地球的角度上看过去，行星靠近其恒星边界并完全进入到移除过程中会遮挡部分恒星的光，即出现行星“凌星”现象。凌星期间，恒星的亮度因行星遮掩而减弱，并且这种亮度减弱现象的出现是周期性的，由此便可探知恒星周围有行星存在。

用“凌星”法搜寻太阳系外行星，一般用3个参数来描述行星“凌星”的特征。“凌星”是否有周期性，能确定这颗恒星周围是否存在行星；根据行星“凌星”的间隔能计算出行星的轨道以及估计其温度；根据行星“凌星”时亮度变化的大小能确定行星的大小。这就像人们看到远处有一只亮着大灯的汽车，当一只小虫从汽车前经过时，可通过光线变化推断虫子的大小。

当恒星系统中的行星运行到“开普勒”与恒星之间时，由于行星遮挡了一部分恒星发出的光，所以会使“开普勒”光度计接收到的恒星亮度会变弱，变化范围大约是5×10-5～40×10-5，连续大约2～16小时。“开普勒”就是这样根据一颗恒星亮度的周期性微弱变化，来判断其周围可能存在行星。行星越大，遮挡的光线就越多，所以通过观测到“凌星”的深度(恒星亮度减弱的程度)，即掌握光线变暗的程度，就可计算出行星的大小。

通过测量“凌星”行星的公转周期，利用开普勒第三定律，就可大致计算出行星轨道大小。（开普勒第三定律：在一定条件下，所有的行星的轨道半长轴的三次方跟公转周期的二次方成正比）

不过，对每颗行星需要至少观测到3次“凌星”现象才能确定其轨道周期，并确定光线变暗不是由其它某种现象，比如该恒星上的耀斑造成的。如果潜在的行星轨道周期很短（几天或几周），则意味着它距其母星非常近；如果其轨道周期很长（几年），则意味着它更接近于该恒星引力控制范围的边缘。而距离过近或过远会使行星上过热或过冷，无法支持生命的出现。

虽然这种技术方法在1999年前就被科学家采用了，并帮助天文学家发现了300多颗较大的行星，但“开普勒”空间望远镜的特点是把目标对准更小的行星。

严格地讲，“开普勒”并不是世界第一个专门用于寻找太阳系外类地行星的空间望远镜。2006年12月27日，欧洲射的 “科罗”（COROT）空间望远镜也是采用“凌星”测量办法来探测太阳系外行星的。但是“开普勒”要比“科罗”空间望远镜先进得多，成果也多得多，所以，美国自称“开普勒”是寻找系外类地行星的世界第一。

而造成这一差别的关键，首先在于轨道的差别。由于“开普勒”是围绕太阳运行，而“科罗”是绕地球运行的，这意味着“开普勒”能有更多的时间搜寻目标星球的“芳踪”。与“科罗”卫星相比，“开普勒”可以在3年半的时间里不间断地观测同一片天区。而地球会经常遮挡住“科罗”的视线。为了实现连续的观测，“开普勒”上的光度计视场要在黄道平面之外，这样才能不被太阳或月球周期性的遮挡。所以，该空间望远镜运行在与地球相同、与地球同速绕太阳运行的轨道上，以便能避开太阳的遮挡。其一个轨道周期约为372.5天，是尾随地球的一条日心轨道，即地球拖尾日心轨道。

另外，“开普勒”也比“科罗”灵敏得多，其光度计主镜直径是“科罗”的3.5倍，因此它能看到大小只有地球一半、和火星差不多大的行星。“开普勒”是用精确度和敏感度都超高的光学数字探测器组合（总计约9500万个像素），来捕获绕母星运行的太阳系外行星所引起的细微光线变化。

那么如果要看到如地球般大小的行星，需要怎样的敏感度呢？我们先来假设从太阳系外看，地球在旋转到太阳面前时，阻挡了多少太阳光？0.008%！是的，只引起了如此微弱的变化。而“开普勒”的设计精确度足以满足，它能探测到小至0.002%的微弱亮度变化，相当于能察觉到跳蚤跳过车前灯。

因为行星“凌星”现象通常只连续几小时至十几小时，所有必须至少几小时测量一次恒星的亮度，并把测量到的光积累进行统计。“开普勒”观测的数据以连续的方式不间断地存储下来。“开普勒”每30天转动一次，使高增益天线指向地球，把所获数据传给美国航空航天局的深空探测网。它每90天进行90°的转动，以保持太阳电池阵指向太阳，焦平面辐射器指向深空。

耗资近6亿美元的“开普勒”空间望远镜设计寿命4年，探测银河系内的天鹅星座与天琴星座之间的一小块天区。之所以把观测区域选择在这里，是因为天鹅座距离地球轨道(黄道)北部很远，太阳不会干扰“开普勒”的视线，有利于连续观测。此外，它也是银河系中拥有大量恒星的一个区域。

为了保证有效观测，“开普勒”在上天的第一年跟踪了17万颗恒星，随后慢慢将范围缩至10万颗。它能在整个任务期间一直对相同恒星进行观察，寻找大小与地球相仿、处在可支持生命的轨道区域内的行星，最大可能地避开太阳、地球以及月球的干扰，不存在因重力梯度、磁矩或大气阻力而产生的力矩来干扰空间望远镜，因而可保持非常稳定的指向姿态，还避免了与地球轨道相关的高辐射量（但偶尔也会遭受太阳耀斑的辐射）。这一优势使包括“哈勃”在内的其他天文卫星望尘莫及，有可能揭开一些“特殊”行星的面纱。

相似指数98%

这次“开普勒”发现的开普勒-452b位于距离地球1 400光年的天鹅座，直径比地球大60%，绕其恒星公转一圈是385天。虽然开普勒-452b的质量和组成尚未确定，但判断它是岩石星球的可能性要高于以往“开普勒”发现的其它行星。它围绕的母恒星也与太阳非常类似，其直径比太阳大10%，质量比太阳多4%，亮度比太阳高10%～20 %，连表面温度都一模一样，只是年长了15亿岁。开普勒-452b到这颗恒星的距离，也与地球到太阳的距离比较相近，刚好处于“宜居带”中，即表面温度允许液态水存在。因此，开普勒-452b与地球相似指数高达98%。

但即使是98%相似度，开普勒-452b本身仍不是长得最像地球的太阳系外行星，因为2014年宣布发现的开普勒186f，直径是地球的1.17倍，2015年初宣布发现的开普勒-438b，直径更是只有地球的1.12倍。这2颗行星都处在各自恒星的宜居带内，也都比开普勒-452b更接近于地球的大小。只不过，这2颗行星所环绕的恒星都要比太阳小得多，也暗得多。而开普勒-452b所环绕的恒星非常类似于太阳。因此，仰仗着其恒星跟太阳的“关系”，开普勒-452b才称得上是“另一个地球”。

当然，“开普勒”并不是非要寻找“另一个地球”，而是通过这种抽样调查的方式，帮天文学家更好地了解地球这样的宜居行星在整个银河系当中到底有多么普遍。开普勒-452b就像比地球大的远房亲戚，研究它有助于科学家理解地球的进化环境，预见地球的未来。

2014年，“开普勒”研究团队用太阳光子产生的压力作为一个虚拟反应轮，弥补了此前2个反作用飞轮损坏的缺陷，使得其重获新生。未来，美国将发射“太阳系外行星猎人”来接替其继续寻找系外行星的任务。可以预见，太阳系外类地行星的发现数量可能会呈井喷式增长。责任编辑：武瑾媛

TIPS:为什么一定要上天去观察

之所以不能在地面观察到地球这般大小的行星“凌星”现象。

1.因为地球大气中的物质运动经常让来自恒星的光线弯向不同方向，所以探测精确度低，无法寻找到地球大小的行星，但可以用来探测巨行星；

2.为了探测一年内最短只有2小时的行星“凌星”， 天文学家需要对恒星亮度进行连续观测，但由于地球绕太阳运行，即可以利用的夜空也在不断发生变化，所以即使在地球周围很多区域部署高精尖望远镜，也不可能对天空中一个特定区域连续监视一整年;

3.不可避免的恶劣天气以及月球的影响，会进一步降低地面观察的效率;四是地面观察的费用和投入也是惊人的。因此，光度计必须部署在太空才能避免昼夜循环、季节循环以及大气扰动。