开普勒太空望远镜（美国航空航天局设计的望远镜）

简介

（KEPLER）是世界首个用于探测太阳系外类地行星的飞行器，于美国东部时间2009年3月6日22时50分（北京时间7日11时50分），将从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地17-B发射台发射升空，它将是美国宇航局发射的首颗探测类地行星的探测器。

任务目的

开普勒探测器计划对银河系内10万多颗恒星进行探测，希望搜寻到能够支持生命体存在的类地行星。

一、测定在多样性光谱型恒星适宜居住区域内部或周围的陆地行星和大型行星数量

这一行星测定数据源自行星的数量和大小，以及被监控恒星的数量和光谱类型。即使开普勒探测器发现这一数据为零，也具有很重要的科学意义，毕竟证实了更多数目的恒星体系经过了搜索勘测，排除了可能出现适宜居住行星的可能性。

二、测定不同体积大小行星的分布，以及行星的半长轴（semimajor axes）

测定不同体积大小行星的分布状况主要源自观测该行星微弱光亮的递减度和所在恒星体系的特征。

基于开普勒第三定律，通过测定恒星的质量和周期年龄特征，可进一步确定行星半长轴相应的数据资料。据悉，开普勒第三定律的内容是：行星距离太阳越远，行星的受力越弱，行星的加速度减小，故运行得越慢，行星的公转周期就越长。行星半长轴还可通过地面分光镜和恒星模型的观测结果得出，测定行星半长轴出现的不确定因素是与所在恒星体系中中心恒星质量有关。

三、评估多恒星体系中行星的数量和行星的轨道分布状况

这项评估可对比一对多恒星体系中发现行星系统的数量来实现，如果该多恒星体系是紧密地结合在一起，或者是可通过高角分辨率观测的较广阔空间体系，使用地面上的分光镜仪器便可观测这样的多恒星体系。

四、测定短周期巨行星的密度、质量、体积大小、反照率、半长轴

短周期巨行星可通过它们的反射光变化来探测发现，同样，它们的半长轴测定也是源自于使用开普勒第三定律测定恒星的质量和周期年龄特征。

凌日行星（planetary transit）的数量占已测定一定大小行星数量的10%。据悉，凌日是内行星经过恒星面的一种天文现象。如果这两颗行星的一颗恰好从地球与太阳之间经过，地球上的观察者就会看到有一个黑点从太阳圆面通过，需时大约为一个多小时，人们把这种现象称为凌日。

按照探测计划，开普勒探测器在探测任务的最初几个月内将发现一定数量的短周期巨行星，并测定这些行星的大小、半长轴，通过反射光调制振幅的测定来确定其反照率，行星的密度由开普勒探测器的分光镜和该行星出现凌日现象时进行测定，该方法曾在测定HD209458b行星密度时使用过。

五、使用互补技术，测量每个光度角度识别发现的行星系统中额外的行星数量

使用空间干涉仪（SIM）和地面多普勒分光镜来搜寻未出现凌日现象的超大质量行星，进一步提供每个已探测行星系统的详细资料。

六、探测具有行星系统的恒星的性质特征

科学家使用地面观测仪器探测每个恒星的光谱类型、发光度等级和金属性，此外，还有恒星的旋转比率、表面亮度多相性，从光度计数据直接获得的恒星活动性。使用开普勒探测器震观测仪（asteroseismology）等仪器测定恒星的年龄和质量。

未来的探测任务

基于开普勒探测器的勘测分析结果，未来空间干涉仪（SIM）和“类地行星搜索者号”（tpf）探测器将进行更深入的类地行星的探索发现，据悉，“类地行星搜索者号”预定2011年升空。

在开普勒探测器的基础上，未来的探测任务还需要具备以下勘测条件：在日后的行星搜索项目中识别确定主恒星的常用恒星特征；确定需要进行搜寻的空间体积；向空间干涉仪（SIM）提供具有陆生行星体系的勘测目标列表。

探测方式

“凌日”是指在观测者看来，行星从其母恒星前面经过的现象。^[3]比如在地球上可以观测到水星凌日或金星凌日，这时人们看到太阳表面上仿佛有个小黑点在缓缓移动。^[6][7]同样，观测其他恒星系统时也会看到凌日现象，“开普勒”便是通过相关观测数据来计算行星的特点。

“开普勒”可以测量凌日行星的公转周期，据此可大致计算出行星轨道大小；“开普勒”号还可以观测到凌日深度（恒星亮度减弱的程度），据此计算出行星的大小。对于行星的母恒星，可以根据其光谱、光度等参数估算其质量。综合这些数据，可以推测一颗行星是否适合生命存在。

“开普勒”观测的目标区域位于银河系中的天鹅座和天琴座一带，因为这个方向上的观测较少受太阳等天体影响，有利于持续观测。此外，这一区域内也存在较多的恒星及附属行星。

构成及性能

1、太空分光计：0.95米孔径；

2、主镜：直径1.4米，85%的中空结构；

3、CCD探测镜：9500万像素（42个2200x1024象素的电子耦合器）；

4、带通：峰值半高宽为430-890毫微米；

5、动态探测范围：9-16个星等（magnitude stars）；

6、优质制导传感器：4个电子耦合器（CCDs）定位在科学焦点平面上；

7、科学数据存储时间：大于60天；

8、上行X波段：7.8125 bps －2kbps；

9、下行X波段：10 bps－16kbps；

10、下行Ka波段：最大值为4.33125 Mbps；

11、除一次性装置之外，所有机械装置表面都有覆盖层，主镜有三个聚焦装置；

12、飞行组件和装配仪器的质量：1071公斤（预计最大值）；

13、飞行组件和装配仪器的功率：771瓦（预计最大值）

运行历史

使用NASA发展的太空光度计，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太空望远镜。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。

2013年5月，开普勒空间望远镜的反应轮发生重大故障，无法设定望远镜方向，正常的观测工作基本停止。^[5]在经过数个月的努力后，美国航天局于8月15日宣布放弃修复“开普勒”。“开普勒”由此结束搜寻太阳系外类地行星的主要任务，但它仍可能被用于其他科研工作。

2018年7月，由于燃料即将耗尽，开普勒已开启休眠模式，休眠时间将持续到2018年8月初。^[12]

2018年10月30日，美国航天局宣布，开普勒太空望远镜耗尽燃料并正式退役。^[4]

仪器介绍

在为期至少3年半的任务期内，“开普勒”太空望远镜将对天鹅座和天琴座中大约10万个恒星系统展开观测，以寻找类地行星和生命存在的迹象。^[1]美国航天局公布的资料显示，“开普勒”太空望远镜携带的光度计装备有直径为95厘米的透镜，它将通过观测行星的“凌日”现象搜寻太阳系外类地行星。

这次发射是“德尔塔”系列运载火箭第339次发射。

运行轨道

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，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。

外星搜寻

太阳系外行星搜寻史

探测原理

开普勒是一架太空望远镜，在设计上用于探测遥远恒星以确定类地行星具有多高的普遍性。开普勒将利用“凌日法”对行星进行间接探测。除了揭示一颗行星的存在外，这种光信号也能告诉我们这颗行星的体积以及运行轨道。在此之后，科学家将利用其它测量手段确定所发现的每一颗行星是否位于适于生命居住的区域，或者说测量这颗行星与其所绕恒星之间的距离，以确定其表面是否存在液态水。

其探测行星的原理是：当恒星系统中的行星运行到开普勒号与恒星之间时，由于行星的遮挡，开普勒号光度计传感器接收到的恒星亮度会变弱。地面科学家可以根据恒星亮度的这种周期性的微弱变化来推算出行星的大小和轨道周期等数据。开普勒望远镜能探测到的这种亮度微弱变化可以小到百万分之十左右。这一技术方法已经被科学家采用了大约十年，并帮助了天文学家发现了300多颗较大的行星。而开普勒望远镜将目标对准更小的行星，像地球一般大的宜居住行星，它们都围绕其母恒星运转。

任务详情

开普勒太空望远镜

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。

据美国宇航局网站最近报道，美国宇航局在搜寻系外行星方面正迎来两个里程碑式的事件。首先持续时间长达3年半的开普勒太空望远镜圆满地完成了其主任务期；另一方面，这一功勋卓著的太空望远镜设备即将开始其延长任务期，该延长任务期将持续4年。

任务运作

开普勒太空望远镜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）分送给世界各地的天文学家。

特点

1、开普勒望远镜是世界是第一个真正能发现类地行星的太空任务，它将发现宜居住区围绕像我们太阳似的恒星运转的行星。水是生命之本，此宜居住区得是恒星周围适合于水存在的一片温度适宜的区域，在这种温度下的行星表面可能会有水池存在。

2、在开普勒望远镜三年半多的任务结束之前，它将让我们更好地了解其它类地行星在我们银河系到底是多还是少。这将是回答一个长久问题的关键一步，此问题就是：我们是宇宙中惟一的么？

3、开普勒望远镜通过发现恒星亮度周期性变暗来探测太阳系外行星。当我们从地球上某个位置来观察天空时，如果有行星经过其母恒星的前面，就能发现此行星会导致其母恒星亮度稍微变暗。开普勒望远镜更能洞悉这一情况。

4、开普勒望远具有太空最大的照相机，有一个95兆像素的电荷偶合器（CCD）阵列，这就像我们日常使用的数码相机中的CCD一样。

5、开普勒望远镜如此强大，以至于它从太空观察地球时，能发现居住在小镇上的人在夜里关掉他家的门廊灯。

6、开普勒太空望远镜定位在地-日系统的第二拉格朗日点，围绕太阳运转，所以可以全时段检测目标天区。

7、观测目标远离黄道面，可避免太阳系天体掩食的干扰。

主要里程碑

开普勒空间望远镜是美国宇航局首个能够搜寻围绕类太阳恒星运行的地球大小系外行星的探测项目，其迄今经历的重要里程碑式事件有：发生升空；发现首颗系外行星；发现质量和直径都最小的系外行星；发现首个6行星系统；发现首个围绕两个太阳运行的行星；发现位于宜居带中，围绕一颗类太阳恒星运行的最小行星等等。

发现的新星球

开普勒发现的新星球

Kepler 9b和Kepler 9c：开普勒早期的第一批一系列持续发现也包括围绕恒星Kepler-9运转的两颗星球。Kepler 9b和Kepler 9c是开普勒探索任务的第一个多星球星系。这些土星大小的星球围绕着它们母星的运转周期大约为19天和38天。第三颗超级地球大小的星球随后也被确认存在于这个星系中。

Kepler-10b：

开普勒太空望远镜一直都在寻找最像地球的星球。Kepler-10b是第一个被确认为类似我们地球的岩石星球。^[10]这颗星球的半径大约是地球的1.4倍而且围绕它的母星运转周期不足一天。开普勒的超精准测量能够确定这颗星球的质量是地球的4.6倍，这就使它在密度上类似于铁质哑铃。考虑到它的构成而且它极为贴近母星，一些科学家认为开普勒-10b更像一颗超级水星而不是地球双胞胎。

Kepler-22b：

这颗星球距离地球600光年而且半径为地球的2.4倍，围绕着一颗太阳一样的恒星运转。此外它的一年大约为290天，比我们的地球稍短。科学家们并不知道它的构成，但是如果它有大气的话，它或许有一个巨大的海洋而且有可能的存在生命。

Kepler-42：

Kepler-42含有有史以来观察到的最小太阳系。红矮星周围环绕着三颗比地球还小的岩石星球，最小的大约只有火星大小。所有这些行星的轨道周期都不足两天，这就意味着它们全都太热而无法存在任何生命。

开普勒22-b、69-c、62-e、62-f

大小合适、位置合适”，美联社19日发文称，开普勒-62行星系统距地球约1200光年，位于天琴座。在该系统中，5颗行星围绕一颗比太阳更小、更冷、更老的恒星运行，开普勒-62e和开普勒-62f是其最外围的两颗，它们的体积分别为地球的1.6倍和1.4倍，受到的热量辐射也只是地球的1.2倍和0.4倍，公转周期分别为122天和267天。德国马克斯-普朗克天文研究所科学家说，开普勒-62e的温度“可能就像5月的华盛顿”。研究人员猜测，这两颗行星主要由岩石或冰构成，只有在获得相关大气频谱特性后，才能清楚它们是否真的“宜居”，“如果上面有生命，肯定非常高级”。另一颗“新地球”开普勒-69c位于开普勒-69行星系统，在天鹅座，离地球约2700光年，体积为地球的1.7倍，公转周期为242天，构成材质尚不确定。除此之外，这两个行星系统的其余4颗行星公转周期只有十多天，意味着它们非常热，不适合人类生存。

放弃维修

2013年5月，在搜寻系外行星方面功能最为强大的美国宇航局开普勒空间望远镜发生重大故障，卫星基本停止了正常的观测工作，如果宇航局的工程师无法及时对其进行修复，那么这项耗资6亿美元的空间项目将有可能提前夭折。

2013年8月19日消息，据美国宇航局网站报道，在经过连续数月的分析和测试之后，美国宇航局开普勒望远镜项目团队日前正式宣布放弃让这台望远镜重新恢复到完全工作状态的努力，转而考虑在目前的不利条件下，这台望远镜设备还能承担何种形式的科学任务。

开普勒望远镜已经于2012年11月份完成其主要科学使命，并紧接着开始了其原计划为期4年的计划延长期。其主要的科学任务是搜寻太阳系之外围绕遥远恒星运行的系外行星体。然而由于已经无法凑齐3个反应轮维持望远镜的正常工作状态，项目组决定一边对此前已经收集的大量数据进行分析，一边由工程师团队尝试对故障反应轮进行修复，同时积极考虑如果维修失败，这台先进的空间望远镜是否还仍然可以承担一些其它类型的科学任务。

近况

2013年5月15日，开普勒空间望远镜由于反应轮故障，无法设定望远镜方向，因此被迫停止其搜寻系外行星任务。^[13]故障发生后，科学家试图恢复望远镜的观测能力，但最后的努力没有成功，目前只有两个反作用轮可以工作，另外两个反作用轮在2012年和2013年出现了故障，由此开普勒望远镜失去了观测系外行星的精确度，这不仅让美国宇航局损失了一艘观测能力极为先进的系外行星探测器，也使得我们发现类地行星的步伐慢了下来。2013年8月18日，美国国家航空航天局表示无法修复并启动K2任务，让望远镜在地球公转的黄道平面上即借助太阳光子产生的作用力调整望远镜姿态，仍能继续执行观测任务。对于新赋予的K2任务，科学家认为探测器可以沿着黄道面运行，每年大约对四到五个目标天体进行深入观测，所谓的黄道面为地球公转的轨道平面，处于该轨道上时开普勒望远镜可以获得稳定的光压，也就是太阳光子对探测器产生的作用力，这有助于探测器维持较好的观测稳定度，以弥补反作用轮故障所造成的指向精度下降，但每次任务周期被限定在75天，由此每年观测目标天体数量只能维持在4至5个。

据美国宇航局网站（NASA)消息，北京时间2015年7月24日凌晨，天文学家确认发现首颗位于“宜居带”上体积最接近地球大小的行星（代号为“开普勒-452b”），这是人类在寻找另一颗地球的道路上的重要里程碑。^[8]“开普勒-452b”的发现使已确认系外行星的数量增加到1030颗。

“宜居带”（habitable zone）是指行星距离恒星远近合适的区域，在这一区域内，恒星传递给行星的热量适中，既不会太热也不太冷，能够维持液态水的存在。^[11]

2016年4月6日，开普勒的微透镜观测将暂时无法启动，除非工程师们能够让探测器重新开始工作。望远镜如今距离地球约1.2亿公里，这意味着每一次往返通讯需要13分钟。

2017年12月14日13 时，NASA 举办了一场电话会议，揭开了喧嚣多日的开普勒天文望远镜的“重大发现”，确定了距离地球2545光年远的开普勒90星系中的两颗新发现的行星——开普勒-80g 和开普勒-90i，这是人类发现的首个和我们太阳系一样的具有8颗行星的星系。^[9]

2018年7月，由于燃料即将耗尽，开普勒已开启休眠模式，剩余不多的燃料首先要保证数据的回传。^[2]休眠时间将持续到8月初，届时，工程师会将它唤醒，指挥其将机载天线指向地球方向，开始回传数据。如果一切顺利，完成数据回传后，开普勒将利用剩余燃料开展最后的观测任务。^[15]

2018年10月30日，美国航天局宣布，开普勒太空望远镜“退休”了，它在太空工作了9年多，发现了2662颗系外行星，其中许多行星有可能孕育生命。^[16]