美国宇航局就是放不下开普勒号。
8月15日,该机构宣布将停止尝试修复失效的反应轮,这些反应轮为这架行星搜寻望远镜提供了精确的指向能力。这实际上结束了这个运行了4年的任务的主要目标,该任务通过寻找恒星光线中微小的下降来找到3548颗候选行星,这些下降表明行星在其恒星前方的经过或凌星现象。
但该机构留下了希望的余地:两周前,它已要求天文学家在9月3日前提交关于如何让这个“跛脚”的航天器仍然可以进行良好科学研究的想法。《自然》杂志了解了预计收到的数十项提案中的一些备选方案。
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想法包括对潜在危险的近地天体进行调查,以及对大型轨道上的木星大小的系外行星进行研究。开普勒号的科学家将对这些提案进行筛选,并在11月1日前决定是否向美国宇航局总部推荐哪些提案以供进一步审查。
为了从该太空机构获得资金,开普勒团队必须证明这些研究不能由其他望远镜完成。这绝非易事——特别是考虑到工程师不确定开普勒号在只有其四个旋转反应轮中的两个的情况下能表现如何,这些反应轮充当稳定的陀螺仪。
“我们正处于真正的困境,”位于加利福尼亚州莫菲特菲尔德的美国宇航局艾姆斯研究中心的开普勒首席研究员比尔·博鲁茨基说。“我们根本不知道开普勒号能做什么。”
有了三个正常工作的反应轮(第四个是备用的),开普勒号能够精确地平衡太阳光持续的推力,以如此高的精度锁定目标,以至于来自特定恒星的光线总是落在单个像素的同一小部分上。但是,这些反应轮一直存在性能不佳的问题,在2012年7月一个反应轮失效了,之后在5月又失效了一个(参见go.nature.com/4w1ufr)。虽然该航天器的推进器仍然可以充当第三个反应轮的粗糙版本,但它们无法复制三个反应轮提供的指向精度,并且望远镜的焦点会漂移。随着时间的推移,星光将开始落在灵敏度略有不同的不同像素上。“每一天,都好像您要使用不同的探测器、不同的望远镜一样,”加利福尼亚州圣地亚哥州立大学的开普勒科学家威廉·威尔士说。
开普勒号的漂移可以通过使其保持在航天器绕太阳运行的同一平面上而最小化。但这带来了一个复杂的问题。一些最好的科学成果预计将来自于对开普勒号一直关注的约150,000颗恒星的后续观测,而该星场并不位于该平面上。
在威尔士及其同事提出的一个提案中,该航天器将继续盯着这个原始星场,以寻找木星大小的行星。这些天体足够大,当它们经过其母恒星前方时,会产生光线下降,即使在开普勒号受损的情况下也可以检测到。
威尔士的小组将针对开普勒号只记录了少数几次凌星的木星——那些绕其恒星运行需要一年以上时间的木星。通常需要至少三次凌星才能确认行星的存在。捕捉到第三次凌星可以区分可能和确定的发现。
该航天器太不稳定,无法从头开始发现地球的类似物,但威尔士建议,开普勒号也可能为已经捕获凌星现象的地球大小的候选者增加统计意义。纽约大学的天文学家戴维·霍格认为,经过数月的时间,开普勒号的漂移可以用来绘制像素的不同光响应。霍格说,如果校准足够详细,则足以让开普勒号恢复其对地球类似物的搜寻。
伊利诺伊州芝加哥大学的天文学家丹尼尔·法布里基对后续研究有不同的想法。他和他的同事提议研究行星系统,在这些系统中,密集排列的行星会受到彼此引力的影响——在这些系统中产生周期性的循环,其中凌星的时间首先提前然后延迟。凌星期间的光线下降仅揭示了发生凌星的行星的大小,但是对凌星时间变化的了解可以得出行星的质量,这对于计算天体的密度和成分至关重要。与威尔士一样,法布里基希望开普勒号专注于具有长轨道的行星系统,这些行星的凌星时间变化的完整周期尚未被观察到。
但是,俄亥俄州立大学哥伦布分校的天文学家安德鲁·古尔德说,他对使用该航天器简单地跟进其原始任务持怀疑态度,因为其指向精度降低了多达1,000倍。“人们真的必须突破并提出新想法,”他说。
也许认真听取了这样的建议,法布里基的团队提出了第二个提案:让开普勒号不是作为行星搜寻者,而是作为近地天体的哨兵,包括直径数百米的小行星,这些小行星可能与地球发生碰撞。对太空岩石的调查将利用开普勒号的广阔视野。而且,至少部分研究可以通过开普勒号寻找其轨道平面内的目标来完成,从而优化其指向。
古尔德提出了另一个方案,其中开普勒号将使用一种称为微透镜的技术,在银河系中心凸起方向上搜寻恒星,寻找行星的迹象。
微透镜效应依赖于爱因斯坦广义相对论的预测:任何大质量物体的引力都会弯曲光线。像放大镜一样,前景中的恒星会弯曲并增强其后方恒星的光线。单个前景恒星或微透镜会产生一条特征性的亮度曲线,但是如果该透镜恒星有一颗行星,则该曲线将具有额外的摆动。
研究人员已经使用微透镜效应揭示了银河系中心附近的约40颗行星,但观测通常不会揭示质量。通过同时使用开普勒号和地面望远镜观测微透镜行星,会产生凌星持续时间和亮度的差异,从而可以得出行星的质量。但是,由于在不受太阳干扰的情况下观察银河系中心的机会有限,因此该调查每年只能进行大约五个星期。
竞争选择
如果开普勒团队推荐的任何提案对美国宇航局来说似乎有价值,则外部科学家组成的审查小组将在明年年初对其进行审查。在那个阶段,重新利用的开普勒号将面临其最大的障碍——与包括哈勃太空望远镜和费米伽玛射线太空望远镜在内的其他九项天体物理任务争夺有限的资金。在收到审查小组的建议后,美国宇航局将在明年6月做出最终的资金决定。
并非所有人都支持开普勒号。马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的道格·芬克拜纳希望美国宇航局支持仍在健康运行的任务。他曾利用费米号发现了从银河系中心吹出的两个星系大小的电离气体气泡,并期望继续为γ射线望远镜提供资金。“我非常有偏见和以自我为中心的观点是,我希望我们让开普勒号死去,”他说。