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2015年度邵逸夫天文学奖

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威廉.伯鲁奇 美国太空总署艾姆斯研究中心 开普勒计划首席研究员

2015年度「邵逸夫天文学奖」颁予威廉.伯鲁奇(William J Borucki),以表彰他构思及领导开普勒计划;这计划大大增进了对太阳系外行星系及恒星内部的认识。

威廉.伯鲁奇(William J Borucki) 1939年于美国芝加哥出生,为美国太空总署(又称美国宇航局)开普勒计划首席研究员。他1962年于美国威斯康辛大学麦迪逊分校物理学硕士毕业,1982年于美国加州圣荷西州立大学取得气象学硕士学位,从1962年至今一直于美国太空总署艾姆斯研究中心工作,担任太空科学家职务。物理学硕士毕业后,他于矽谷之美国太空总署艾姆斯研究中心高超音速自由飞行分部工作,为阿波罗宇航计划研发隔热屏。登月计划成功后,他转往理论研究分部,研究在行星大气内的闪电活动,以及发展数学模型,从而预测氧化氮及氯氟甲烷对地球臭氧层的影响。美国太空总署的开普勒航天飞行器于2009年3月发射,旨在用凌日测光方法去寻找系外行星。

开普勒太空望远镜的构想图 (Credit: NASA/Kepler Mission/Wendy Stenzel)

夜空繁星点点,当中的恒星,会否拥有与地球相类似的行星呢?开普勒计划的主要任务,是在类似太阳的恒星系统中,探测有多少类似地球的行星,位于主星的适居带中。这区域的情况有利于液态水以至生命的存在。

由于这些恒星距离遥远,如果它们拥有行星,这些行星就更为细小、暗淡及被主星的光芒掩盖,我们如何可以探测到这些行星呢?

威廉.伯鲁奇和和奥德丽.萨默斯在1984年发表论文,评估以凌日测光法探测太阳系外行星系统的可能性,并强调必须于大气层外观测,脱离大气扰动的影响,才能发现体积与地球相若的系外行星。随后,伯鲁奇积极提倡透过太空任务,探测有可能孕育生命的行星。

伯鲁奇在1992年至1998年间提交了四份建议书,但均不被接纳。面对失败及质疑,伯鲁奇作出新的研究,以支持建议的论点。他修葺了一所旧天文台,制造光度计并接上天文台的望远镜,以验证同时监测数以千计的恒星光度的方法。他更制造了此太空任务所用仪器的原型。经过他多年的努力,美国太空总署终于在2001年,接纳了他的第五份建议书,在2002年正式展开开普勒计划,并于2009年发射了开普勒太空望远镜。


有别于一般望远镜的狭窄视场,开普勒太空望远镜的视场极为广阔,宽约15度,即在开普勒的视场内可并排30个月亮。(Credit: Carter Roberts)


开普勒太空望远镜的主要组件为光度计,它是用以测量恒星光度的感光仪器。反应轮是用作控制望远镜指向的飞轮。


开普勒太空望远镜的感光耦合元件。位于四角的感光组件用作导星,而其他21个组件则作科学观测之用。(Credit: NASA)

凌日只导致主星光度有极为轻微的下降,要测定如此微小的改变是极具挑战性的。以一颗类似地球的系外行星横越其类似太阳的主星为例,主星光度的下降幅度不足万分之一,情况就有如测量一只跳蚤爬过远处汽车车头灯所造成的减光效果。

观测到一次疑似是凌日的现象并不足以证明行星的存在,要在数年内持续观测数次减光现象,每次主星光度减少程度相同,持续时间(减光时间)一样,而且周期(每次现象相隔时间)相同,才可确定发现新的系外行星。凌日可维持数小时至少于一天。从凌日减光的幅度,可推测行星与主星面积的比例。透过测定凌日周期,即行星的公转周期,加上恒星质量的数据,再利用开普勒第三定律,便可计算出行星轨道的大小。


当一颗行星在其主星前经过,即出现凌日,在地球上便会发现主星的光度轻微下降。凌日法便是借着测量主星光度的变化来寻找行星


金星凌日。在地球上,当水星或金星在太阳面经过时,我们可以看到水星凌日或金星凌日的现象。凌日发生时,太阳的光度亦会轻微下降。不过,当遥远的系外行星经过主星前,系外行星凌日的影像不能被分辨,只有观察到的主星光度轻微下降。


开普勒452b位于天鹅座,距离地球1,400光年,是已发现位于一颗类似太阳的恒星的适居带中,体积最小的行星。(Credits: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle)


开普勒62是一颗距离地球约1,200光年的恒星,它拥有五颗与地球大小相若的行星,分别以字母b、c、d、e和f表示,当中开普勒62e和开普勒62f更位于适居带之内,相信拥有固体表面,或许有液态水存在。(Credit: NASA Ames/JPL-Caltech)


开普勒186f是现时所知与地球大小最为相若,而且位于适居带内的系外行星。它距离地球大约560光年,环绕着一颗红矮星开普勒186公转。由于开普勒186的温度比太阳低,因此它的适居带距离会比太阳的适居带较近。(Credits: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech)

(Credit: NASA)

恒星光度的变化,可由恒星的震动(或称为星震)造成。透过星震学的技术研究这种震动,可让我们了解恒星的内部结构。

2009/7 - 开普勒太空望远镜升空


(Credit: NASA/Kim Shiflett)

2010/1 - 发现首五颗新的系外行星,分别名命为开普勒4b、5b、6b、7b及8b


(Credit: NASA/Kepler Mission)

2011/12 - 发现首两颗与地球大小相若的系外行星开普勒20e和开普勒20f

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(Credit: NASA/Ames/JPL-Caltech)

2013/4 - 发现开普勒62系统

2013/5 - 开普勒的两个反作用轮失效,任务计划须要更改,系外行星搜索暂停

2014/4 - 从已有的开普勒数据中发现开普勒186f

2014/5 - 美国太空总署公布K2计划,作为开普勒计划的延伸

2014/12 - 从已有的开普勒数据中发现开普勒186f

2015/1 - 发现这计划中的第1,000颗系外行星

2015/7 - 公布发现开普勒452b,一颗较地球稍大及年老的系外行星

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