开普勒太空望远镜的故障轮可能有助于恒星物理学

尽管美国宇航局开普勒号航天器上的一个故障反作用轮对其主要的系外行星探测任务来说是个坏消息,但这个小故障可能对恒星物理学的研究有所帮助

美国宇航局的系外行星探测望远镜一直以来都有一种鲜为人知的恒星物理学方面的天赋。现在,由于开普勒号航天器上的反作用轮发生故障,其主要任务受到了影响,一些科学家希望将其重新聚焦于一项前所未有的研究,即研究我们星系中最巨大的恒星,这些恒星的内部运作是所有恒星类别中最不为人所知的。

自发射以来的四年里,开普勒号已经发现了3000多个系外行星候选者,使已知太阳系以外的世界数量成倍增加。但在2012年7月,其四个稳定反作用轮之一发生故障,然后在2013年5月,第二个也停止工作,使航天器失去了精确地指向天空中的单个点的能力。

反作用轮的损失实际上结束了开普勒号发现更多低质量行星的机会,特别是地球类似物这一最终目标。但美国宇航局几乎没有放弃希望,认为该望远镜仍然可以做出伟大的事情,并在8月2日,该机构呼吁征集关于如何在两轮状态下使用开普勒号的想法。在数十项提案中,有计划使用该望远镜探测近地小行星,寻找木星大小的系外行星,并监测海王星。一些恒星物理学家表示,开普勒号命运的改变使该望远镜处于理想的位置,可以增加人们对大型恒星如何演化的了解。


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当开普勒号正常运行时,它无法观测某些被称为OB星的热而巨大的恒星,因为它们极亮的光线会淹没行星相对微弱的信号。然而,它确实擅长使用一种称为星震学的方法研究较小的恒星。类似于通过研究地震来探测地球的内部动力学,星震学监测星震,星震表现为恒星亮度的闪烁,以寻找其内部结构的线索。在其主要任务期间,开普勒号可以轻松地做到这一点,因为它已经密切监测恒星亮度随时间的变化,以寻找由行星从地球的角度在恒星前方经过引起的周期性变暗。

现在,有点不稳定的开普勒号无法足够精确地指向以研究低质量恒星的闪烁。然而,比利时鲁汶大学天文研究所所长康妮·艾尔茨说,较大恒星的振荡应该会产生更强的信号,这些信号仍然在开普勒号的探测能力范围内,她是该提案的主要作者。此外,此类研究无法从地面很好地完成,因为它们需要长时间连续观察相同的恒星,以便发现周期为数小时或数天的振荡,并且地面望远镜每次太阳升起时都必须停止观测。“我们需要不太好的精度,但更长的时间尺度,这就是拥有两个反作用轮的开普勒号可以带来的,”艾尔茨说。

开普勒星震: 天文学家希望利用开普勒太空望远镜观测巨大恒星光线中的闪烁,以了解其内部动力学。这里显示的是欧洲 CoRoT(对流、自转和行星凌星)卫星观测到的三颗巨大恒星的光变曲线。虽然 Blomme 等人在 2011 年收集的这些数据不足以进行长期地震建模,但研究人员的目标是利用开普勒号连续六个月收集地震数据。
图片来源:Conny Aerts 和 Jonas Debosscher,比利时鲁汶大学

艾尔茨说,对热而巨大的恒星进行的星震学研究非常少,但它们是最需要阐明的恒星之一。目前的恒星物理模型在OB星方面尤其缺乏,科学家们希望了解这些“生命短暂,死亡迅速”的恒星是如何运作的。这些恒星的质量是太阳质量的数百倍,它们以最快的速度耗尽其核燃料储备,并通过壮观的超新星爆发而死亡,超新星爆发将宇宙中大部分比碳重的元素(所谓的金属)播撒到宇宙中。“这些恒星是宇宙的金属工厂,就宇宙的化学演化而言,它们是最重要的需要理解的恒星,”艾尔茨说。“理论模型对于这类恒星来说是最不充分的。”

艾尔茨和她的同事建议开普勒号应该瞄准一个名为 NGC 2244 的疏散星团,该星团中充满了这类恒星,可能是该方法的一个强有力的测试案例。这样一项研究将需要开普勒号连续六个月的全神贯注,以观察恒星振荡周期如何随时间变化。不过,也可以使用收集到的数据进行其他科学研究,因为开普勒号的广阔视野将不仅仅包含星团。

“我相信提议的研究项目将是一个有用的项目,”宾夕法尼亚州立大学的天文学家罗纳德·吉利兰说,他过去曾使用开普勒数据进行星震学研究。“如果可以进行,按照白皮书中的精度水平获得六个月的覆盖率,即 0.01% 到 0.05%,那么很可能会从中产生非常有用的和独特的科学成果。” 但他说,现在判断开普勒号的新模式将有多精确还为时过早,而且他对即使是巨星星震学是否可行也表示怀疑。“我们仍然不知道关于航天器实际能力的一些非常基本的事情。正在进行的测试应该会在几个月内提供更好的见解。” 最终,他不太乐观。“我个人不太抱希望开普勒号能在其新的双轮配置中找到重要的工作要做。”

即使该望远镜继续努力进行恒星物理学研究,许多开普勒号科学家也不愿意放弃该天文台最初存在的理由,并希望该天文台能够以改进的方式继续研究行星。麻省理工学院的行星猎手和开普勒科学团队成员萨拉·西格说,关于星震学提案,“提案者提出了一个有用的案例。[但是] 我很难对非系外行星天文学保持客观。” 她补充说,将开普勒号改造成它最初并非为此设计的用途可能会带来额外的困难,例如需要设计一个全新的基础设施,将原始数据转换为可用的科学信息。“一个担忧是,新项目必须开发什么样的管道?如果另一个轮子在开发过程中或刚刚开发后发生故障怎么办?还需要考虑这些风险和成本。”

最终,可能没有任何一项新提案胜出。开普勒团队必须证明,使用双轮仪器可能实现的科学研究足够有价值,才能在不断缩减的美国宇航局预算中分得一杯羹。如果没有任何一项提案达到如此高的标准,开普勒号的资金可能会分配给其他功能齐全的任务。“我们必须问,每美元的科学价值有多大,”西格说。“太空望远镜的运行成本非常高,每年[至少]达到 1000 万美元。所以问题是:这项科学研究值得付出这个代价吗?” 开普勒团队计划在今年晚些时候向美国宇航局提交最佳提案以供审查。那些被认为值得进一步研究的提案将在明年由一个外部委员会进行审查,最终决定预计在明年夏天做出。

克拉拉·莫斯科维茨《大众科学》的高级编辑,她在那里负责报道天文学、太空、物理学和数学。她在《大众科学》工作了十年;之前她在 Space.com 工作。莫斯科维茨曾对火箭发射、航天飞机发射和着陆、亚轨道太空飞行训练、山顶天文台等进行过现场报道。她拥有卫斯理大学天文学和物理学学士学位,以及加州大学圣克鲁兹分校科学传播研究生学位。

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