2015年度邵逸夫天文學獎

概覽

2015年度「邵逸夫天文學獎」頒予威廉．伯魯奇(William J Borucki)，以表彰他構思及領導開普勒計劃；這計劃大大增進了對太陽系外行星系及恆星內部的認識。

威廉．伯魯奇 (William J Borucki) 1939年於美國芝加哥出生，為美國太空總署(又稱美國宇航局)開普勒計劃首席研究員。他1962年於美國威斯康辛大學麥迪遜分校物理學碩士畢業，1982年於美國加州聖荷西州立大學取得氣象學碩士學位，從1962年至今一直於美國太空總署艾姆斯研究中心工作，擔任太空科學家職務。物理學碩士畢業後，他於矽谷之美國太空總署艾姆斯研究中心高超音速自由飛行分部工作，為阿波羅宇航計劃研發隔熱屏。登月計劃成功後，他轉往理論研究分部，研究在行星大氣內的閃電活動，以及發展數學模型，從而預測氧化氮及氯氟甲烷對地球臭氧層的影響。美國太空總署的開普勒航天飛行器於2009年3月發射，旨在用凌日測光方法去尋找系外行星。

開普勒計劃

開普勒太空望遠鏡的構想圖 (Credit: NASA/Kepler Mission/Wendy Stenzel)

夜空繁星點點，當中的恆星，會否擁有與地球相類似的行星呢？開普勒計劃的主要任務，是在類似太陽的恆星系統中，探測有多少類似地球的行星，位於主星的適居帶中。這區域的情況有利於液態水以至生命的存在。

由於這些恆星距離遙遠，如果它們擁有行星，這些行星就更為細小、暗淡及被主星的光芒掩蓋，我們如何可以探測到這些行星呢？

威廉．伯魯奇和和奥德麗．薩默斯在1984年發表論文，評估以凌日測光法探測太陽系外行星系統的可能性，並強調必須於大氣層外觀測，脫離大氣擾動的影響，才能發現體積與地球相若的系外行星。隨後，伯魯奇積極提倡透過太空任務，探測有可能孕育生命的行星。

伯魯奇在1992年至1998年間提交了四份建議書，但均不被接納。面對失敗及質疑，伯魯奇作出新的研究，以支持建議的論點。他修葺了一所舊天文台，製造光度計並接上天文台的望遠鏡，以驗證同時監測數以千計的恆星光度的方法。他更製造了此太空任務所用儀器的原型。經過他多年的努力，美國太空總署終於在2001年，接納了他的第五份建議書，在2002年正式展開開普勒計劃，並於2009年發射了開普勒太空望遠鏡。

如何尋找遙遠的系外行星

有別於一般望遠鏡的狹窄視場，開普勒太空望遠鏡的視場極為廣闊，寬約15度，即在開普勒的視場內可並排30個月亮。(Credit: Carter Roberts)

開普勒太空望遠鏡的主要組件為光度計，它是用以測量恆星光度的感光儀器。反應輪是用作控制望遠鏡指向的飛輪。

開普勒太空望遠鏡的感光耦合元件。(Credit: NASA)

位於四角的感光組件用作導星，而其他21個組件則作科學觀測之用。

凌日只導致主星光度有極為輕微的下降，要測定如此微小的改變是極具挑戰性的。以一顆類似地球的系外行星橫越其類似太陽的主星為例，主星光度的下降幅度不足萬分之一，情況就有如測量一隻跳蚤爬過遠處汽車車頭燈所造成的減光效果。

觀測到一次疑似是凌日的現象並不足以證明行星的存在，要在數年內持續觀測數次減光現象，每次主星光度減少程度相同，持續時間（減光時間）一樣，而且週期（每次現象相隔時間）相同，才可確定發現新的系外行星。凌日可維持數小時至少於一天。從凌日減光的幅度，可推測行星與主星面積的比例。透過測定凌日週期，即行星的公轉週期，加上恆星質量的數據，再利用開普勒第三定律，便可計算出行星軌道的大小。

當一顆行星在其主星前經過，即出現凌日，在地球上便會發現主星的光度輕微下降。凌日法便是藉着測量主星光度的變化來尋找行星。