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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
美國太空總署艾姆斯研究中心
開普勒計劃首席研究員

 

得獎人簡介Top

 

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Top

 

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。


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

如何尋找遙遠的系外行星Top

開普勒太空望遠鏡持續監測天鵝座與天琴座之間的一大片固定天區,能準確地同時量度超過十萬顆恆星的光度。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。開普勒計劃的構思,便是藉着測量主星光度的變化來尋找行星,這種方法稱為凌日法(又稱凌星法)。凌日現象只會在行星系統對正我們視線的情況下發生。若要觀測到一顆與地球大小及軌道相若的系外行星的凌日現象,機會是少於百分之一,所以必須監測大量恆星,來提高偵測到凌日的機會。


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。


金星凌日。在地球上,當水星或金星在太陽面經過時,我們可以看到水星凌日或金星凌日的現象。凌日發生時,太陽的光度亦會輕微下降。不過,當遙遠的系外行星經過主星前,系外行星凌日的影像不能被分辨,只有觀察到的主星光度輕微下降。

開普勒太空望遠鏡的成果Top

開普勒太空望遠鏡於運作後成為最有效尋找系外行星的儀器。直至2015年7月,開普勒太空望遠鏡已經發現並確認了超過1,000顆新的系外行星,佔現時已確認的系外行星總數一半以上,其中12顆系外行星,其直徑不大於兩個地球,並且位於適居帶之內,另外還有超過4,600顆待確認的系外行星有待證實。


開普勒452b位於天鵝座,距離地球1,400光年,是已發現位於一顆類似太陽的恆星的適居帶中,體積最小的行星。(Credits: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle)


開普勒62是一顆距離地球約1,200光年的恆星,它擁有五顆與地球大小相若的行星,分別以字母b、c、d、e和f表示,當中開普勒62e和開普勒62f更位於適居帶之內,相信擁有固體表面,或許有液態水存在。(Credit: NASA Ames/JPL-Caltech)


開普勒186f是現時所知與地球大小最為相若,而且位於適居帶內的系外行星。它距離地球大約560光年,環繞着一顆紅矮星開普勒186公轉。由於開普勒186的溫度比太陽低,因此它的適居帶距離會比太陽的適居帶較近。(Credits: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech)

恆星的內部結構Top

開普勒太空望遠鏡長期以高精度監測大量恆星光度的變化,除了能尋找系外行星外,亦對研究恆星物理起了很大的作用。恆星的震動(或稱為星震)會令恆星的光度產生輕微的週期變化,由此便可了解恆星的內部結構,原理就跟以地震去研究地球的內部結構相似。這門學科稱為星震學,星震學可較其他方法更準確地測定恆星的質量及半徑。確切的恆星質量讓我們可準確計算系外行星軌道的大小。星震的研究將大大提升我們對恆星演化的認識。


恆星光度的變化,可由恆星的震動(或稱為星震)造成。透過星震學的技術研究這種震動,可讓我們了解恆星的內部結構。(Credit: NASA)

開普勒計劃的里程碑Top

 

2009/7 - 開普勒太空望遠鏡升空


(Credit: NASA/Kim Shiflett)

2010/1發現首五顆新的系外行星,分別名命為開普勒4b、5b、6b、7b及8b


(Credit: NASA/Kepler Mission)

2011/12發現首兩顆與地球大小相若的系外行星開普勒20e和開普勒20f


(Credit: NASA/Ames/JPL-Caltech)

2013/4 - 發現開普勒62系統

2013/5 - 開普勒的兩個反作用輪失效,任務計劃須要更改,系外行星搜索暫停

2014/4 - 從已有的開普勒數據中發現開普勒186f

2014/5 - 美國太空總署公佈K2計劃,作為開普勒計劃的延伸

2014/12 - 從已有的開普勒數據中發現開普勒186f

2015/1 - 發現這計劃中的第1,000顆系外行星

2015/7 - 公佈發現開普勒452b,一顆較地球稍大及年老的系外行星