BiscuiT 发表于 2009-10-14 11:50:07

【2009年10大最杰出创新】之一:开普勒太空望远镜



开普勒任务是美国国家航空航天局设计来发现环绕着其他恒星之类地行星的太空望远镜。

使用 NASA 发展的太空光度计,预计将花3.5年的时间,在绕行太阳的轨道上,观测10万颗恒星的光度,检测是否有行星凌星的现象(以凌日的方法检测行星)。

为了尊崇德国天文学家约翰内斯·开普勒,这个任务被称为开普勒任务。

开普勒是 NASA 低成本的发现计划聚焦在科学上的任务。NASA 的艾美斯研究中心是这个任务的主管机关,提供主要的研究人员并负责地面系统的开发、任务的执行和科学资料的分析。

开普勒任务进度的处理是由喷射推进实验室执行,贝尔太空科技公司负责开普勒任务飞行系统的开发。

开普勒太空船于 2009 年 3 月 6 日 22:49:57 UTC-5 成功的发射。至目前为止任务已开始了7个月1天。


官方网址: http://kepler.nasa.gov/


开普勒任务的科学目标是探索各种不同行星系的构造,通过勘测大量的恒星样本达到几个目标:

[*]对各种不同光谱类型的恒星进行广泛的观测,以确定有多少类似地球的行星或大行星存在或邻近适居带(也称为"古迪洛克行星 ")。
[*]测量这些行星轨道的大小和形状的范围。
[*]估计有多少的行星存在于多星系统中。
[*]测量短周期巨大行星的亮度、大小、质量、密度和轨道的大小。
[*]使用其他的技术来辨认每个被发现的行星系统和它们的其他成员。
[*]确定这些拥有行星的恒星的特性。

利用其他方法检测到的系外行星绝大多数都是大行星,它们都像木星或者更大。开普勒是设计来发现只有这种质量的 30 至 600分之一的行星,也就是类似地球这样大小的行星。使用的方法是凌日法,需要重复的观察到行星从恒星前方掠过的凌日现象,如果是地球大小的行星将会造成恒星的视星等降低 0.01% 的数量级。亮度减少的程度可以用来推测行星的质量,而由两次凌日的时间间隔可以推测行星轨道的大小和估计它的温度。

行星轨道能否横越过恒星的前方,其机率与沿着视线方向的轨道的直径和恒星的直径有关。像地球这样大小的行星,在1天文单位的距离外横越过响太阳这样大小恒星的机率是 0.465%,或是 215分之1;但在 0.72 天文单位(金星的轨道距离)机率就增加为 0.65%;如果恒星是后期G型的恒星,例如鲸鱼座 τ,这样的行星将会是类地行星。另一方面,因为在同一个系统内的行星倾向于在相似的平面上运行,因此发现多颗行星绕行同一颗恒星的机率也会较高。例如,一个外星人运用像开普勒这样的系统来观察地球凌日的现象,他有12%机率也会看见金星凌日。

开普勒任务发现类地行星的机率远高于哈柏太空望远镜,不仅是它有远大得多的视野(大约10平方度),并且还能检测行星凌星的现象。相反的,哈柏太空望远镜是有能力和用来解决大的问题,而且不会长时间的关注同一个星野范围。开普勒的任务在设计上要能同时观察十万颗的恒星,并且每30分钟测量一次它们的亮度变化,这使他很好的机会可以观察到凌日的现象。另一方面,对太阳大小的恒星有215分之一的机率,意味着在十万颗之中100%可以检测到,而且像地球这样的行星,开普勒可以达465颗之多。这个任务非常确定是很适合发现绕着其他恒星而像地球一样大小的行星。

由于光度减弱的非常少,因此开普勒必须至少连续观察到3次的行星凌星造成的现象才能确定;因为大的行星造成的信号比较容易检测出来,因此科学家预期开普勒最先发现的应该会是如同木星或是更大的行星,而且这样的报告可能只需要几个月就会获得。较小的行星,和更远的行星要花较多的时间,预期要找到像地球这样的行星需要三年或更长的时间。

来自这个任务的数据也能用来研究星震造成的各种不同型式的变星,特别是显示出类太阳震荡的。





图:开普勒任务在寻找银河系的来龙去脉

开普勒不在环绕地球的轨道上,而是在尾随地球的太阳轨道上,所以不会被地球遮蔽而能持续的观测,光度计也不会受到来自地球的漫射光线影响。这样的轨道避免了重力摄动和在地球的轨道上固有扭矩,可以有一个更加稳定的观测平台。光度计指向天鹅座和天琴座所在的领域,远离了黄道平面,所以在绕行太阳的轨道上,阳光也不会渗漏入光度计内。天鹅座也不会被古柏带或小行星带的天体遮蔽到,所以在观测上是是一个很好的选择。

这样选择的另一个好处是开普勒所指向的方向是太阳系绕着银河系运动的中心,因此开普勒所观察到的恒星与银河中心的距离大致上与太阳系是相同的,并且也都靠近银河的盘面。这是个很重要的事实,如果星系也有适居带的位置,就如同建议的地球殊异假说。

估计太空船的质量是1039公斤,口径是0.95米,主镜(在地球轨道之外最大的镜片)1.4米,视野(FOV)有105 deg²(大约12度的直径),大约是胳膊伸直时一个拳头遮蔽的视野。光度计有一个柔软的焦点提供良好的光度测量,而不是清晰的图像。结合的光度差异精确性(CDPP,combined differential photometric precision),对一颗m(V)=12类似太阳的恒星,进行6.5小时的影像综合是20ppm,已包括恒星本身预期可能的 10ppm光度变化。而一颗类似地球的行星凌星造成的光度变化是84ppm,而且轨道经过恒星中心时至少将持续13小时。焦平面由42个1024 X 2200的CCD组成,每个画素的大小是27微米,是发射至太空中最大的照相机。这个阵列由一条连结到外面的热导管来冷却。CCD每3秒中读出一次资料,并且可以暂留15分钟,只有对应到有兴趣目标恒星画素的资料才会被保存,并透过遥测传回到地面。这个任务在生命周期中,包括持3.5年的运作,估计要花费6亿美金。

开普勒任务由外面位于科罗拉多州波尔德市的大气和太空物理实验室(LASP)负责运作。太阳阵列在每年位于分至点时会转动至正对着太阳的方向,这些转动将用来优化照射到阵列上的阳光,并使热辐射器保持指向深太空的方向。同时,LASP和贝尔太空科技公司(该公司负责建造太空船和仪器)从位于科罗拉多州波尔德市的科罗拉多大学的控制中心进行操作。LASP进行基本的任务计划和科学资料最初的收集和分发工作。

NASA每星期两次透过X-波段的通信线路与太空船联系,下达指令和进行状态更新,每个月一次使用 Ka带下载科学性的数据,传输的最大速率是4.33Mb/s。开普勒太空船在船上会自己进行部分的资料分析,只在必要时才会传送科学性的数据,以保持带宽。

在任务期间由LASP收集的遥测科学资料会被送至位于马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学校园内的太空望远镜技术学院开普勒数据管理中心(DMC)。这些遥测科学资料会被解码并且处理成未校正的FITS - 并由DMC格式化成科学数据产品,然后通过在NASA的艾美斯研究中心的科学操作中心(SOC)进行校正和最后的处理。SOC将送回校正和处理好的数据产品和科学结果给DMC做长期的归档和经由在STScl的多任务档案(MAST)分送给世界更地的天文学家。



http://photos3.pix.ie/58/86/58862BAF60A5462E9D25DFB0815EDA75-800.jpg

图:开普勒太空望远镜已经勘察的区域(点击放大)

Julian_Yuen 发表于 2009-10-14 13:55:14

......

开普勒是 NASA 低成本的发现计划聚焦在科学上的任务。

BiscuiT 发表于 2009-10-14 15:32:03

回复 #2 Julian_Yuen 的帖子

Kepler is a mission under NASA's Discovery Program of low-cost, focused science missions.
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