開普勒太空望遠鏡——一個被否決四次的NASA項目

風流知音【科普之聲】開普勒太空望遠鏡 ——一個被否決四次的NASA項目 CFDSA(2017)1005

作者簡介

蔣迅, 本科和碩士畢業於北京師範大學，在美國馬里蘭大學獲得博士學位。目前在美國從事科學計算工作。

(本文完成於2012年，關於開普勒太空望遠鏡的描述僅指當時情況)

開普勒太空望遠鏡 - 尋找適合生命的地外世界

Source: NASA

到現在，已經沒有人懷疑開普勒太空望遠鏡 (Kepler Space Telescope) 的成就了。到2012年11月，開普勒太空望遠鏡開機三年半，完成了預定的目標，轉而開始執行下一個四年的探索計劃。開普勒小組宣布了新一批超過一千顆新發現的系外行星候選體，從而讓疑似系外行星的候選體目標總數達到了2321顆。但是，這個項目在申請立項時被連續四次被拒，從1997年最初提出申請到最後2009年發射經歷了十多年的時間才實現。回顧一下這段經歷，也許對科研人員是一個好教材。

開普勒太空望遠鏡發現許多類地行星

Source: NASA

「開普勒太空望遠鏡」的基本思想其實很簡單。讓我們先用日食來比喻。當月球飛到地球和太陽之間時，太陽的部分光線被擋住，到達地球的陽光就減少，這就是日食。有時月球把整個太陽都擋住了，地球上就會一片漆黑，這就是日全食。在太陽系中還有金星凌日現象。同樣的，當一顆地外行星飛過自己所環繞的恆星而處於地球和這顆恆星之間時，到達地球的光線也會減少。雖然這要求地球必須在地外行星軌道的平面上，但是由於有大量的恆星可以觀測，人們可以樂觀地認為可以捕捉到帶有行星的恆星，條件是有很多恆星事實上是有自己的行星，甚至有適合生命的行星。如果我們有辦法能檢測到這樣由於行星而造成的光線減弱的話，那我們就能證實地外行星的存在了。這個思想早在1971年被由計算機科學家弗蘭克·羅森布拉特（Frank Rosenblatt）提出的。他認為，可以在地面上設立三個裝置了感光耦合元件 (CCD) 的小型望遠鏡來同時觀測大量的星星。如果三架望遠鏡都觀測到某個恆星的微小亮度減弱的話，那我們就可以猜猜那裡有行星存在了。特別遺憾的是，羅森布拉特當年晚些時候就在一次意外事故中身亡。他沒有來的及去傳播他的這個思想。直到1984年，NASA科學家威廉·博魯茨基（William J. Borucki）和奧黛麗·薩默斯（Audrey Summers）又重新研究了這個思想。他們認為，地外行星的凌日現象可以被高精度的測光儀器檢測到，而且可以把大尺徑的望遠鏡設在太空中來避免很多在地面上不得不面對的麻煩。他們沒有想到的是，他們必須用16年的時間來證明這個思想是正確的。

開普勒太空望遠鏡工作原理示意圖

Source: NASA

雖然「開普勒太空望遠鏡」的基本思很簡單，但是實踐起來其實極其困難。原因就在於它的精度要求實在太高了。它的高精度是個什麼概念呢？假定我們要找的是一個地球大小的圍繞著我們的太陽大小的恆星的行星，而且這顆恆星距離我們有數光年之遙。那麼這顆地外行星凌日事件所產生的恆星亮度的減弱只有84-百萬分率 (ppm)。因此，必須能識別百分之零點零一的變化。好在在羅森布拉特提出用CCD技術之後的二十多年裡，CCD技術取得了長足的進步。人們可以真的嘗試這個思路。1987年，博魯茨基和他的團隊在NASA和NIST舉辦的一次研討會上介紹了他們開發高精度光度計的工作。此後，他們製造了幾個不同的樣機用於證實他們的思路。

1992年，當NASA設立了「探索計劃」(Discovery Program) 時，博魯茨基他們第一次提出了他們的項目。他們把這個項目稱為「地球大小的內行星的頻率」(FRESIP)。但是這個項目被NASA否決了。雖然他們的項目在科學價值上得到了一致好評，但沒人相信存在他們所要採用的技術。

1994年，當NASA再次徵集「探索計劃」的項目時，這個團隊再次遞交了這個項目。這一次，他們提出把衛星放置在一個拉格朗日點 (Lagrangian point) 上。理想狀態下，兩個同軌道物體以相同的周期旋轉，兩個天體的萬有引力與離心力在拉格朗日點平衡，使得衛星與前兩個物體相對靜止。當然衛星在這個位置上並不能做到完美的平衡，所以必須開動發動機做一些調整，而發動機和燃料都很昂貴。由於預算超過了「探索計劃」允許的限額，NASA第二次否決了他們的項目。

1996年，這個團隊第三次提出了他們的項目。為了減少開支，他們把衛星軌道從拉格朗日點換到了日心軌道上，而且提出了三個旨在減少開支的設計方案。同時，他們把項目改名為「開普勒」。這一次，NASA對預算沒有再提出異議，但對他們的CCD技術提出質疑。原來一年前，他們在矽谷以東的利克天文台 (Lick Observatory) 上已經測試了他們製造的CCD探測器。他們已經得出結論，用這種探測器再加上用數學公式對數據做系統的修正，他們可以把精度提高到10-ppm，從而滿足尋找類地行星的精度要求。但是項目評審人懷疑他們能把這個系統全自動化。他們的結果是對一個固定的恆星進行的，但數據分析不是自動完成的。於是當面對數千個恆星的觀測數據時，自動的數據處理就成了關鍵。「造一個系統出來看看」，評審員寫到。

OK，那就造一個！他們在利克天文台就真地造了一個自動光度計並把數據聯到埃姆斯研究中心的計算機系統上。這樣，從讀取數據到分析數據，他們有了一個自動的系統。

1998年，NASA的「探索計劃」再次徵集項目時，他們第四次提出了這個項目。現在他們在科學上證明了項目的價值，技術上證明了項目的能力，數據上也實現了自動化。但NASA還是否決了他們的申請，因為他們「沒有證明抗干擾的功能」。當衛星在發射到了軌道上以後會有定位抖動和恆星變化等干擾，他們必須能在有干擾的情況下仍然保證得到同樣的精度。

可是他們不能在地面天文台里做這樣的實驗，因為大氣層本身的波動干擾實在太大了。他們只好設計一個室內的實驗設備：在一塊鐵板上扎出一些各種尺寸的小洞，從鐵板的後面加一個燈光源，這樣在鐵板的另一面看上去就像是星空了。實驗時讓鐵板震動起來以達到數據擾動的效果。人造星空是有了，他們還必須在這個人造星空里能夠讓「星星」的亮度發生84-ppm的變化。這也不是輕而易舉的事情。如果用一塊玻璃蓋住小洞的話，亮度只減少百分之八，距離要求還差一千倍。沒有現成的技術成果幫助他們。他們只好自己動手。經過一番努力，他們終於取得了成功。他們證明了抗干擾的能力。

2000年，他們第五次遞交了申請。2001年，他們的申請終於被批准了。這時候距離羅森布拉特提出這個概念已經30年，距離博魯茨基重提這個概念也已經16年，距離他的團隊第一次申請資助也已經10年了。又經過8年的時間，「開普勒太空望遠鏡」發射升空。這樣一個曾經被認為不可思議的項目終於實現了。隨後的成功證明了這個思路是正確的。

開普勒太空望遠鏡鎖定的空間

Source: NASA

本文不準備討論「開普勒太空望遠鏡」立項以後的事情，雖然那些故事也很精彩。我想說的是，為什麼「開普勒太空望遠鏡」能有今天。我認為有兩個重要的因素。

NASA科學家博魯茨基

Source: NASA

第一，多虧了有這樣一位執著的人：博魯茨基。

博魯茨基可以說是一個鐵杆航天迷。他的童年是在威斯康星州的一個小鎮上長大的。他自小就對星空感興趣。至今仍清晰地記得他和夥伴們在新月的晚上數星星。他們一起製造了安裝了照相機的望遠鏡，然後拍攝星系。在夏天，他們會騎自行車到附近的葉凱士天文台（Yerkes Observatory）去用那裡的40英寸望遠鏡來觀測天象。大型望遠鏡能讓他看到自製的土望遠鏡看不到的東西，但他更陶醉於自己動手做（DIY ）。他說，「有趣的是按照自己的想法去做，這樣你才能理解它們是如何工作的」。他還會和小夥伴一起發射自製的小火箭。那裡地廣人稀，火箭落下來時唯一可能傷及的是牲畜。每次發射時，他們就把當地的小路暫時封掉。空曠的大地給了他們充分的自由。在學校里，他是學校科技小組的主席。有時候，他們否決了老師提出的研究題目，然後根據自己的興趣進行科學研究。小博魯茨基喜歡業餘無線電發射，值做電子儀器和天線。他不但想跟世界各地的人聯繫，甚至想跟外星人聯繫。他們決定製造一個發射機去接通UFO。博魯茨基製作了一個紫外線發射機，其他同學製作了紅外線發射機、可見光發射機和地磁發射機。當然他們的實驗最後都沒有成功，但通過這些製作，他們鍛煉了動手能力和獨立自主的主動性。有時候，失敗也是一個人進步的必經之路。博魯茨基在少年時代就明白了這個道理。高中畢業後，從小喜歡科學的他進入威斯康星大學學習物理。1960年和1962年，他分別獲得了物理學學士學位和碩士學位。在找工作的時候，他只申請了一個地方：NASA。從此以後一直在NASA工作，參與了包括阿波羅項目在內得多個重要項目。正是在阿波羅項目里，他接觸到了光度測定 (photometry)。他意識到這很可能這是尋找地外行星的一個新的方法。此後，他花了十多年的時間去製作各種光度測定儀器，終於確信了這個方法一定能成功。這是「開普勒太空望遠鏡」能有今天的第一個原因。

博魯茨基和同事利用超級計算機分析數據

Source: NASA

第二，有NASA的大力支持。

雖然NASA四次拒絕資助「開普勒太空望遠鏡」項目，但是NASA並不是對這個項目一推了之，而是一直在幫助博魯茨基的團隊創造條件，以便讓這個項目變得更成熟。早在1984年，NASA埃姆斯研究中心就出資舉辦高精確度測光研討會 (Proceedings of the Workshop on Improvements to Photometry)。1988年又舉行了第二次研討會 (Second Workshop on Improvements to Photometry)。NASA總部出資，讓他們開發和測試硅光電二極體基礎上的多通道光度計 (multichannel photometers based on silicon photodiodes)，在國家統計局和埃姆斯研究中心進行的測試表明，二極體有非常高的精度，但要減少它的熱雜訊，需要將它冷卻到接近液氮的溫度。以後，NASA總部和埃姆斯研究中心又多次用小項目的方法資助了博魯茨基的團隊，使得他們可以建造概念儀器並進行實驗。埃姆斯研究中心提供了超級計算機系統，以便分析數據。在第三次否決這個項目的時候，NASA總部和埃姆斯研究中心出資讓他們造出一個自動光度計。可以想像，沒有NASA的大力資助，「開普勒太空望遠鏡」就只能永遠是紙上談兵。

對於象NASA這樣的機構，一個項目申請被拒絕不是一件不尋常的事情。不尋常的是堅持一個信念並創造取得成功的條件。「開普勒太空望遠鏡」項目有幸有博魯茨基，有NASA。

現在，「開普勒太空望遠鏡」仍在默默地工作著。它的工作說起來有些過於簡單：每6秒鐘對同一個星區拍照一次。幾年來，這個團隊收集了越來越多的數據。數據越多，發現的小行星越多，適於居住的行星也越多。人們就可以回答一個困擾科學家很久的問題：「有很多適合生命存在的『地球』嗎」？如果答案是肯定的，那麼生命就可能在另一個行星上存在。因此，人們可以考慮新的挑戰：尋找地外生命。不知道下一個「博魯茨基」在哪裡，不知道下一個「NASA」在哪裡？

參考文獻：

陳學雷：尋找太陽系外的地球

開普勒空間望遠鏡延長任務 已發現千顆系外行星

ASK: Kepler: The Long Road to Other Worlds

William Borucki - Kepler Mission Science Principal Investigator

Kepler Team - William Borucki

Long Journey to Liftoff: Kepler Scientist Faced Decades of Obstacles, Skepticism

Kepler Finds 1235 Planets in Four Months: William Borucki Q&A

BRIEF HISTORY OF THE KEPLER MISSION

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編輯：馬山泉 審核：一溪清泉

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