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开普勒探测器第一阶段的轨道和指向

  开普勒探测器第一阶段持续观测的天区:天鹅座(Gygnus)和天琴座(Lyra)方向。来源:维基开普勒探测器第一阶段持续观测的天区:天鹅座(Gygnus)和天琴座(Lyra)方向。来源:维基
 
  在开普勒任务的头四年里,这颗探测器就这样日复一日年复一年地在这片天区里搜寻着,积累了大量的探测数据宝藏,留待科学家们慢慢挖掘。
 
  再焕新生
 
  开普勒探测器原本的设计寿命只有3.5年,这也是Discovery项目的平均寿命。然而,由于开普勒探测器的实际探测精度没有达到原本的预期,项目组的评估认为开普勒探测器必须持续观测到2016年才能达到原本的任务目标。不过好在开普勒也确实运行良好,因此2012年11月,NASA正式宣布开普勒初期任务结束,开始长达4年的拓展任务[6]。
 
  然而,这个如意算盘没有持续多久,因为开普勒遇到了和黎明号一样棘手的问题——动量轮开始相继坏掉了。
 
  开普勒和黎明号一样,都是用动量轮控制探测器的姿态的。开普勒可以一直保持环绕太阳的运行,这不需要动力来维持轨道,但如果想要始终保持指向同一个方向观测,却需要不断调整自己的朝向——最起码需要三个动量轮才行(三个垂直的方向各一个)。
 
  也和黎明号一样,开普勒也带了四个动量轮,也就是说,坏一个是没有关系的。因此当2012年7月14日第一个动量轮坏掉的时候,科学家们依然认为开普勒探测器是健康的,是可以继续正常工作的。
 
  然而好景不长,2013年5月11日,拓展任务开始才半年,开普勒探测器的第二个动量轮也坏掉了[7]。虽然在短期内,开普勒可以向黎明号一样采用推进剂+动量轮的混合模式来维持原本的姿态,但在对动量轮尝试修理无果之后,NASA还是认为这不是长久之计。
 
  2013年底,一个名叫K2的观测方式被提出,K2的意思是“开普勒的第二春”(Second Light)。这个创造性的观测方案提出利用太阳光压配合两个还能工作的动量轮维持姿态稳定,而同时随着太阳角度的变化,大约每80天就要利用推进剂调整一次姿态,以重新达到与太阳光压的平衡角度。也就是说,开普勒探测器将会以约80天为周期观察不同的天区(每个区域的观测称为一个campaign field)[8]。
 
  K2方案在2014年5月16日正式投入使用,这意味着开普勒探测器续命成功,进入了一个崭新的阶段。我们已经知道系外行星确实是存在的,但到底有多少恒星有行星环绕?这些行星里有像我们的地球一样的行星吗?甚至,会有哪个行星上有生命居住吗?
 
  新世界的大门已经打开,但想要继续探索还需要招募一位勇敢而勤奋的猎手——从20世纪90年代,科学家们就开始规划一颗专门用来搜索系外行星的探测器,这就是后来的开普勒探测器[1]。
 
  然而,一方面是技术和精度上的限制,一方面是经费上的捉襟见肘,这个系外行星搜寻提案屡次被否决。直到2000年,屡经修改后的开普勒任务第5次提案终于在26个候选提案中脱颖而出,被NASA的知名抠门项目Discovery项目选中…和另外两个提案一同参加下一轮三进二的选拔…
 
  2001年12月,开普勒探测器最终被选中成为Discovery项目的第10个任务,获得了3亿美元的预算支持(最终花费了5.5亿美元)。值得一提的是,同时被选中的另一个任务就是探索小行星带的黎明号探测器,两颗探测器原计划都是在2006年发射[2, 3],但由于预算的问题,两颗探测器都没能如期发射,而是分别延迟到了2009和2007年。
 
  2009年3月7日,几经坎坷的开普勒探测器终于在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空。
 
  搭载开普勒探测器的德尔塔II火箭点火。来源:NASA[4]搭载开普勒探测器的德尔塔II火箭点火。来源:NASA[4]
 
  这颗以开普勒三定律的提出者,伟大的天文学家约翰内斯·开普勒命名的探测器,职责是持续搜寻新的系外行星。
 
  而它更大的野心是:寻找地球的同类。更准确地说,是寻找太阳这类的恒星周围有多少和我们的地球差不多大,又位于宜居带中的岩质行星。
 
  勤奋搜寻
 
  在开普勒任务正式通过之前,人们只发现了大约80颗系外行星,而且全部都是类似木星那样的气态巨行星,这是因为越大的天体越容易被发现。而开普勒探测器则把目标提高到了能探测到和地球差不多大甚至更小的天体。
 
  为了达到这个目标,开普勒探测器采用了一种简单粗暴的搜索方法——“凌日法”。
 
  凌日法的原理很简单:
 
  一颗恒星发出的光如果没有遮挡的话应该会始终都一样亮,也就是说,亮度曲线是一条直线。
 
  但当有行星飞过时,会遮挡一部分恒星的光,那么在这段时间里观测到的恒星亮度会变小。当行星飞过之后,会在恒星的亮度曲线里留下一个U型缺口。
 
  为了找到这些“缺口”,开普勒需要始终盯着同一片天区反复观测,然后对比观测数据中的亮度变化。而且发现一次“缺口”还不够,同样的凌日事件重复观测到3-4次以上,才能最终确认确实有一颗系外行星。
 
  因此,开普勒探测器的设计轨道是一个环太阳轨道,而且在环绕太阳的过程中始终朝向同一个方向。这个轨道的平均半径和地球轨道半径相当,但不在黄道面上的,以免受到太阳光的影响。
 
  开普勒探测器第一阶段的轨道和指向。
 
  不知道细心的你有没有发觉,开普勒探测器发现的许多行星都是位于天鹅座方向的,那当然不是因为这个天区的行星特别多,而是因为在最开始的四年,开普勒探测器始终只指向天鹅座和天琴座那一片方向,总计追踪的恒星超过15万颗。
 
  
点击次数:  更新时间2018-11-05  【打印此页】  【关闭
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