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揭秘开普勒望远镜退休真相 寿命不及哈勃有原因

http://www.kexue.com 2013-08-28 15:41:19 科技日报  发表评论


严重的损坏使得开普勒望远镜失去了维修的意义

  在经过数个月的努力后,近日,美国航空航天局宣布放弃修复开普勒太空望远镜。“开普勒”由此结束搜寻太阳系外类地行星的主要任务,但它仍可能被用于其他科研工作。美国航空航天局表示,将继续对“开普勒”过去4年搜集的数据进行分析,未来数年依然有望见到与“开普勒”有关的科学发现。

  外星猎人共找到3000多颗太阳系外行星候选体

  “开普勒太空望远镜是美国航空航天局发射的首颗探测类地行星的探测器,用于搜寻太阳系外的类地行星。” 航天专家、《国际太空》杂志执行主编庞之浩研究员说,“开普勒”于美国东部时间2009年3月6日,从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地17-B发射台发射升空,任务期原定为3年半,但美国航空航天局去年4月宣布延长“开普勒”的工作寿命。

  开普勒太空望远镜通过凌日法探测太阳系外行星。“凌日”现象是指,当行星从其母恒星前飞过时会阻挡一部分恒星的光的现象。比如在地球上可以观测到水星凌日或金星凌日,这时人们看到太阳表面上仿佛有个小黑点在缓缓移动。同样,观测其他恒星系统时也会看到凌日现象,“开普勒”便是通过观测凌日深度(恒星亮度减弱的程度),计算出行星的大小。这就像人们看到远处有一只亮着头灯的汽车,当一只小虫从汽车前经过时,可通过光线变化推断虫子的大小一样。

  此外,它还可以测量凌日行星的公转周期,据此可大致计算出行星轨道大小;对于行星的母恒星,可以根据其光谱、光度等参数估算其质量,综合这些数据,可以推测一颗行星是否适合生命存在。

  “开普勒”观测的目标区域位于银河系中的天鹅座和天琴座一带,因为这个方向上的观测较少受太阳等天体影响,有利于持续观测。此外,这一区域内也存在较多的恒星及附属行星。

  庞之浩介绍,在过去4年多的时间里,开普勒太空望远镜一共找到了3277颗太阳系外行星候选体。在这3277颗太阳系外行星候选体中,最小的比地球还小,大的则比木星还大。现在已经确认了其中134颗,包括7颗位于宜居带的“超级地球”。

  “开普勒”的科研团队现在正在对这些年积累的数据进行发掘和分析,希望从中找到更多的太阳系外行星,尤其是那些位于宜居带的与地球大小相似的太阳系外行星。

  “退休”原因 4个飞轮坏了一半无法精确定位

  一直以来“开普勒”为人类探索和观测遥远星系做出了巨大的贡献,那么是什么原因使得它不得不“退休”了呢?

  庞之浩介绍说:“此次开普勒太空望远镜生病的‘症状’是它的姿态控制系统出现错误。这个太空望远镜采用的是三轴稳定方式,每个轴的方向都设置有一个反作用飞轮,用于控制其3个轴方向的姿态,另外还有1个备用飞轮。当‘开普勒’的姿态处于所要求的位置时,有一定转动惯量的飞轮保持匀速旋转(飞轮的动力来自卫星上的电源);如果‘开普勒’偏离所要求的位置,就可通过敏感器和控制线路使飞轮加速或减速,从而产生一个相反的力矩,使其回复到所要求的姿态位置。所以‘开普勒’有3个飞轮工作才能进行正确的姿态控制。”

  北京大学天文系教授吴鑫基说:“2012年7月,‘开普勒’的一个飞轮失效,而后,工程师们紧急调用备用的第四个飞轮替换失效的飞轮继续工作;今年5月,‘开普勒’另一个飞轮又失效了,使得它无法实现精准定位。面对这个问题,工程师们曾试图修复其中至少一个飞轮,但是没能成功。现在,‘开普勒’已不能继续提供收集科学数据所需要的定位精度,无法正常工作,因此它的价值也就大打折扣了。”

  飞行轨道过高维修成本高昂

  通常情况下,一个东西坏了,“修”是我们的第一选择,但是,为什么面对“开普勒”,科学家选择的不是维修而是放弃呢?

  庞之浩说,对于在轨飞行的航天器来讲,软件出现问题比较好解决,可以通过无线测控系统重新安装、升级、启动软件;对于硬件出现的问题,目前主要维修方法有两种:一是启用备份部件,二是用航天飞机对近地轨道航天器进行在轨维修或将坏件带回地面维修,然而现在这两种方法都无法用于维修“开普勒”。

  “首先,‘开普勒’已没有备用飞轮可用,重启也失灵。其次,一般来说,当太空望远镜出现问题时,是通过航天飞机将人送入外太空,对其进行修理和维护。但是负责‘开普勒’维修的航天飞机已于2011年退役。即使不退役,由于‘开普勒’位于距地面6500万公里的太阳轨道上,距离地球很远,用航天飞机进行维修,所带来的成本花费会很高。所以,与其承担对‘开普勒’的巨额维修费用,还不如重新研制新的太空望远镜。” 庞之浩说。

  同类对比“哈勃”延年益寿缘于不断维修升级

  说起“开普勒”就不得不让人想起另外一个大名鼎鼎的太空望远镜——哈勃太空望远镜。“哈勃”于1990年4月开始服役,至今已有10多年,仍在坚守岗位。同为太空望远镜,为什么“开普勒”较之“哈勃”短寿了这么多呢?

  庞之浩表示,航天器的寿命与成本、功能、用途等许多因素相关。

  1990年4月24日上天的哈勃太空望远镜耗资近25亿美元,原设计寿命是10年,后由于其成本很高,成果丰硕,又运行在航天飞机可以在轨维修的近地轨道,所以美国先后5次用航天飞机对其进行了在轨维修,使其得以延年益寿,功能不断升级。而2009年3月6日上天的“开普勒”耗资近6亿美元,除了在成本花费上远远低于“哈勃”,设计寿命较之于“哈勃”也明显降低。

  面对“开普勒”的“退役”,很多天文爱好者会觉得遗憾,但吴鑫基却表示,对于“开普勒”的“退休”,不需要遗憾。“开普勒太空望远镜原来的设计寿命是3年半,到2012年11月已经到期,而且还超期服役了几个月。更重要的是它已经圆满地完成了预定的探测任务,开创性地发现了很多类似地球的行星和类似太阳系那样的多行星系统。不负众望地完成了自己的使命,可以说是功成身退。”

  未来归宿 等待评估结果或将继续发挥余热

  虽说开普勒太空望远镜即将面临“退休”,但是科学家们仍希望它能发挥一些余热。吴鑫基说:“即使‘开普勒’结束了搜寻太阳系外类地行星的主要任务,但它仍可能被用于其他科研工作。” 尽管这台太空望远镜已经不可能再像以前那样完全正常的工作,但是鉴于其积累的科学数据,科学家们预计对这些数据的分析将在未来带来更多的新发现。

  8月2日,开普勒太空望远镜的科研团队发布公告,向整个科学界征求“开普勒”在目前状态下仍然可以进行的有价值的科学任务的意见和方案。工程师将尝试利用现存的2个飞轮和剩余的燃料为开展其他类型的科学任务做准备,工程师对“开普勒”的评估将于今年年底完成。届时,美国航空航天局将根据工程师的评估结果,最终确定“开普勒”下一步将会执行的科学项目规划。

  同时,美国也正在研发新一代系外行星观测卫星,计划于2017年发射升空 “掩星系外行星巡天卫星”,它将拥有比“开普勒”强大得多的观测能力。吴鑫基说:“凭借当下快速发展的科技水平,未来一定会研发出比‘开普勒’更好的太空望远镜,从而替代‘开普勒’帮助人类探索未知的太空。”

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