开普勒空间望远镜专题（下）——使命：寻找地球的“兄弟”

发射升空后，开普勒空间望远镜沿着一个螺旋的轨道，缓缓远离地球。在其主要任务的前四年，开普勒空间望远镜观测位于天鹅座的一片星空。“开普勒”数据发布的新结果对于了解银河系中不同类型行星的轨道以及行星形成的方式具有重要意义。自2014年以来，开普勒空间望远镜一直在利用其 延长的第二次任务来收集数据，观测银河系的黄道平面。 

▲开普勒空间望远镜候选观测范围

开普勒空间望远镜的主要观测区域，位于银河系第一道曙光的区域，在天鹅座和天琴座之间，靠近织女星。整个观测区域覆盖整整100平方度的天球，相当于两个北斗七星并排起来的范围。在这个区域内，有450万颗恒星能够被确认观测到。开普勒望远镜选择了其中15万颗为重点观测对象。在持续3年半的时间里，它一直凝视着这些恒星，以便捕捉其亮度变化的情况。经过算法处理后的图像，带上了颜色编码，给较亮的恒星赋予白色，较暗的恒星则赋予了红色。 

▲开普勒望远镜的观测区域示意

为了能够发现像地球这样小的行星（个头儿虽小，但确实不可替代），开普勒望远镜故意让画面显得有些模糊 不清。这样可以最大限度地减少因少数几颗特别明亮的恒星迫使传感器饱和的情况出现。因为一旦饱和，就会错过很 多不太明亮但却拥有极佳宜居环境的恒星系统。 

开普勒空间望远镜的42块电荷耦合器件CCD传感器拼接后，形成了拥有9500万像素的望远镜的眼睛。通常来说，人类眼睛中有650万个视锥细胞，1.2亿个视杆细胞。因此，开普勒空间望远镜从这个角度上来看，已经比较接近人眼了。 

▲几颗“开普勒”明星与太阳系的自然天体的对比

开普勒望远镜的视场中，其四个角是黑色的，这四块区域并不用来感受 遥远恒星的光度变化，而是用来测量恒 星的位置并与开普勒望远镜姿态控制系统内的星图进行比对。每100毫秒，这样的比对工作就进行一次，以此来确保开普勒望远镜在太空中不会迷失方向，能够稳稳地凝视指定的星空区域。

开普勒空间望远镜可谓成果卓著。 

在开普勒望远镜之前，人类只能猜测有系外行星的存在。而在今天，借助开普勒望远镜的观测结果，人类已经确定：在银河系内，在太阳系外，有2662颗系外行星存在。这是对530506颗恒星进行多年的观测所取得的成果。这些系外行星，有的和地球的大小差不多，有的体积是地球的10倍，而有的则是比木星还要巨大的巨行星。

发现了那么多系外行星，那么是怎样给它们命名的呢？ 

人类目前还来不及为一下子发现的这么多系外行星起文雅的名字。凡是开普勒空间望远镜发现的，都冠上“开普勒”这个名字，然后标注表示编号的阿拉伯数字。 

▲多种多样的恒星与行星的关系

比如，开普勒-11星系。这个星系有6颗行星围绕一颗和咱们的太阳非常相像的恒星运行。这些行星，按确认发现的先后顺序，被命名为开普 勒-11b、开普-11c、开普-11d、开普勒-11e、开普勒-11f、开 普 勒-11g。也就是说，在阿拉伯数字后面跟的小写字母，就代表这个星系中的某颗行星。这个字母，从 b开始，因为a本身默认留给了这个星系核心的恒星。

开普勒-69星系是一个双行星系统，开普勒-69b和开普勒-69c两颗行星绕着他们的恒星旋转。这个星系距离地球约2700光年，位于天鹅座。开普勒-69的恒星和太阳属于同一类，都是G型恒星。 

开普勒-69c比地球大70％，是在类太阳恒星的可居住区域内已知的公转轨道最小的系外行星。科学家目前 还不确定开普勒-69c 的大气成分，但是基本上已经确定其表面平均温度为 275℃。因此，与其把开普勒-69c称作超级地球，不如把它叫做超级金星。 

这颗每242个地球日就围绕其恒星公转一周的行星，就像金星一样，有着炽热的大气。 

“开普勒”在开始进行科学观测几个月后，宣布发现了五个系外行星，分别名为开普勒-4b，5b，6b，7b 和 8b。这些系外行星之所以这么快就被发现，主要是因为她们个头儿都很大。这些系外行星全部比海王星要大，有的甚至比木星还要大。这些行星仅需3.3天到4.9天就能够绕它们的恒星公转一周。这表明它们离恒星太近了，而且这些恒星都比太阳要热得多。想象一下，当木星比水星更靠近太阳的时候，会发生什么！这些星球的表面温度在3000℃以上。

▲开普勒 -69c，超级金星

开普勒-62e星，比地球大60%，围绕着一颗比太阳更小的恒星运行，距离地球1200光年。这颗每122个地球日围绕其主星绕一圈的行星，拥有凉爽的表面。很有可能的是，在它冰冻的外表下面，有巨大的海洋。 

开普勒-62星系的主星，已经70亿岁了，这个星系是个极度缺乏金属的星系。这里如果有高等文明的话，其使用的建筑材料或许会以高分子化合物为主。

▲开普勒-22b

与开普勒-62e星同处一个星系的开普勒-62f星，比地球大40%，每267天绕主星公转一圈。按目前的观测结果，未来，人类的飞船可以在开普勒-62e和开普勒-62f上着陆。 

开普勒-20e是一颗没有大气层的岩石星球。这颗半径为地球0.868倍的星球，太靠近主星，以至于它被潮汐锁定。就像月球和地球的关系那样，开普勒-20e始终只有一面对着主星。开普勒-20e到其主星的距离只有地球到太阳距离的5.07%，仅需6.098天就绕其主星公转一圈。 

在它永久的白天和永久的黑夜之间的晨昏线上，巨大的温度差异塑造了其独特性格。以87.5°的倾角绕其主星的超近距离转动，使其地质活动异常活跃。 

▲开普勒-35

这里极有可能存在大量活火山。 

在同一个星系内，开普勒-20f的温度稍低，但是依然比地球的平均温度高太多。它的公转周期为19.6天。开普勒-20f的半径为地球的1.03倍，极其接近地球。

在开普勒-20星系内，还有其他3颗行星，分别为开普勒-20b、开普 勒-20c和开普勒-20d，都是气态巨行星。 

开普勒-22星系的主星是一颗G型恒星，质量比太阳少3％，体积比太阳小2％。该恒星的表面温度为5518 开（5245℃），和太阳比较接近（太阳的表面温度是5778开，也就是5505℃）。 

开普勒-22星系的这颗恒星的年龄大约为40亿岁，比太阳年轻一些（太阳的年龄为46亿岁）。 

开普勒-22b星，这颗系外行星被很多人称作“水世界”。这颗半径为地球2.4倍的系外行星，极有可能有大量的水存在，其大气层或许有着非常丰富的云层活动。

开普勒-35星系，两颗巨大的恒星相互围绕，成为双星主星。该星系或许只有一颗行星。这颗和咱们的土星大小相当的行星孤独地绕双星公转，每131天转一圈。

在这颗行星上，在白天抬头仰望的话，会是两颗相互绕转的太阳。 

▲开普勒-78b（右）

开普勒-78b星，比地球重70%，比地球大20%。它离主星太近了，仅8.5个小时就能够绕其主星转一圈。按动力学仿真的结果，该星的表层岩石时刻处于重力场的撕扯之中，其星球表面时刻伴随有巨大的轰鸣声。这真是一个炼狱般的世界，岩浆会覆盖整个星球表面。

开普勒-10星系距离我们很近，只有不到565光年。在15万候选恒星中，开普勒-10星系的恒星备受关注。 

这颗星和太阳极其相似，只不过年龄大了一些。开普勒-10星系的主星，年龄超过80亿岁。如果这里有智慧生物的话，很有可能比我们人类的文明要发达得多。

开普勒-10b是开普勒-10星系中第一个被发现的行星。它是一个被烧焦的星球。它到其主星的距离比水星太阳的距离要近20倍。据分析，开普勒-10b的表面温度超过2000℃。这颗熔岩星球的质量是地球的4.6倍，半径是地球的1.4倍。 

在开普勒空间望远镜的飞轮系统还好的时候，它就已经发现了不少系外行星。这些行星中，最多的还是体积和我们的海王星类似的行星，只有808颗系外行星的尺寸和我们的地球相当。 

▲开普勒-90星系（上）与太阳系（下）的对比

开普勒空间望远镜不仅向我们揭示了系外行星大量存在这个事实，而且还向我们展示了千姿百态的星系构成形式。 

星系的排列有密有疏，气态大行星的数量有多有少。 

开普勒望远镜筛选出了可供人类居住的系外行星（理论上）：开普勒-22b、开普勒-69c、开普勒-62e、开普勒-62f。 

开普勒-90星系的主星是一颗类似太阳的恒星，而且也有8颗行星。但是它的所有8颗行星都被挤压到了地球绕太阳公转的轨道范围内。

 ▲地球（左）与开普勒-452b（右）的对比。开普勒-452b，比地球更年老，比地球更大

开普勒-90i星的一年，只有14.4天，而太阳系里的水星，一年时间也有88天呢。这个星系，正在从青春期 向成熟期生长。这8颗行星，在未来，会逐渐扩散成像太阳系一样的大间距。是的，一个和我们的太阳系非常类似的星系正在成长中。

找到了那么多系外行星，那么到底哪一颗才是最接近地球的呢？这就需 要定义一下“接近”了。 

ESI，为地球相似指数，其数值范围在0到1之间，越接近1，表明和地球越像。其中，变量x目前是由行星半径、行星密度、逃逸速度和表面温度这4个数值组成的。如果ESI值能够达到0.8，那就表明，该星球在很大概率上是一颗岩石星球，并且带有足够厚的大气层。 

先来算一下火星和金星吧。 

▲开普勒-186f

小火箭分别从直径、质量和表面重力加速度来说：火星介于地球和月球之间，火星的直径约为地球的一半，是月球的两倍；火星质量约为地球的九分之一，为月球的九倍；火星的表面重力加速度约为地球的38%，是月球的2.4倍。火星体积约为地球的15%，质量约为11%，表面积略小于地球陆地面积。

综合计算，考虑到表面温度白天可达28℃，夜晚可低至-132℃，平均-63℃，得到火星的地球相似指数为：0.638。 

金星的直径是12092公里（只比地球少650公里），质量是地球的81.5%。从尺寸上来讲，金星简直就是地球的孪生妹妹。但是金星表面的状况从根本上就与地球完全不同，其稠密的大气层富含二氧化碳。金星大气中含有96.5%的二氧化碳，其余的3.5%大多是氮气。综合计算，金星的地球相似指数ESI为：0.78。 

其他太阳系内的天体的地球相似指数，可以自行计算，比如月球是0.56，水星是0.39，冥王星是 0.076。 

▲开普勒-7b（左）与木星（右）

目前，已经确认的系外行星中，地球相似指数最高的，是开普勒-438b星，其数值高达0.88，比金星和火星都要高得多。 

开普勒-438b星距离地球639光年，该星的半径为地球半径的1.12倍，表面平均温度为37℃。 

另有一颗尚在确认过程中的系外行星，其编号为 KOI-4878.01，距离地球1075光年。该星的地球相似指数 为0.98！这颗星也是开普勒望远镜发现的，不过还未得到最终的确认，我们还是等待科学家的最终定论吧。

开普勒空间望远镜已经耗尽了最后一滴燃料，孤零零地漂浮在太空。而它9年来兢兢业业的工作，已经让我们有充足的理由畅想：我们在这个宇宙，并不孤独。而我们对太空的好奇和对真理的渴求，永不会结束。

该文收录于《太空探索》2019年01期

文/小火箭邢强