開普勒探測器現(xiàn)已成為短短幾周之內(nèi)出現(xiàn)故障問題的美國宇航局第三個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡。本月初，錢德拉和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)故障，處于“休眠模式”。錢德拉和哈勃望遠(yuǎn)鏡都是上世紀(jì)發(fā)射升空，經(jīng)檢測它們的陀螺儀出現(xiàn)故障。目前美國宇航局透露稱，開普勒探測器也出現(xiàn)了相同的問題。在上一次觀測任務(wù)中，開普勒探測器成功向地面發(fā)送觀測數(shù)據(jù)，開普勒研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布指令，要求該探測器到指定區(qū)域開始準(zhǔn)備收集下一次觀測任務(wù)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

然而，10月19日，在美國宇航局深空網(wǎng)絡(luò)定期安排的探測器檢測中，研究人員發(fā)現(xiàn)開普勒探測器已過渡至非燃料使用的休眠模式。當(dāng)前，開普勒研究小組正在評估導(dǎo)致故障的原因，并評估下一步可能出現(xiàn)的問題。據(jù)悉，這顆老化的“系外行星獵人”燃料嚴(yán)重不足，可能接近使用壽命終點(diǎn)。

開普勒望遠(yuǎn)鏡

開普勒望遠(yuǎn)鏡原始檔案

自2014年以來，開普勒任務(wù)探測發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆系外行星，其中30顆行星體積不足地球體積兩倍，位于恒星系統(tǒng)宜居帶，環(huán)繞主恒星運(yùn)行。開普勒探測器于2009年3月7日從卡納維拉爾角基地發(fā)射升空，它有望探索發(fā)現(xiàn)太陽系之外的神秘行星。

開普勒探測器發(fā)射時(shí)重量為1052公斤，長4.7米，寬2.7米。該探測器通常是用于搜尋類似地球的行星，類地行星是指巖石行星，其軌道在恒星的宜居地帶中。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，開普勒探測器現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大約5000多顆已證實(shí)的“候選系外行星”，另外還有2500顆“被確認(rèn)的系外行星”，科學(xué)家認(rèn)為它們是真實(shí)存在的。當(dāng)前，開普勒探測器在K2任務(wù)中發(fā)現(xiàn)更多的系外行星。

K2是開普勒探測器第二項(xiàng)觀測任務(wù)，目前該探測器上的兩個(gè)感應(yīng)輪出現(xiàn)故障。這兩個(gè)感應(yīng)輪能夠直接控制探測器的方向和高度，從而有助于指出正確的方向。

這項(xiàng)改良任務(wù)能夠證實(shí)系外行星環(huán)繞昏暗的紅矮星運(yùn)行，雖然在為期8年的觀測任務(wù)中，開普勒觀測發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆行星，特別是獲得了五項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：

1、地球2.0

2014年，開普勒探測器獲得了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，它探測到系外行星Kepler-452b，被稱為“地球2.0”，距離地球1400光年。

這顆行星擁有類似地球的軌道，接收的恒星光線照射量類似于地球的陽光照射量，公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間與地球年相近。但是專家仍不能確信這顆行星孕育生命，但是他們表示如果地球人類到該星球殖民，人類能夠繼續(xù)繁衍生息。

2、發(fā)現(xiàn)首顆環(huán)繞兩顆恒星運(yùn)行的行星

2011年，開普勒探測器發(fā)現(xiàn)一顆神秘行星，它環(huán)繞兩顆恒星運(yùn)行，這樣的情況被稱為“雙星系統(tǒng)”。該雙星系統(tǒng)命名為Kepler-16b，距離地球大約200光年。

專家將該雙星系統(tǒng)比作科幻電影《星球大戰(zhàn)》中塔圖因星球所處的“雙日落”恒星系統(tǒng)。

3、發(fā)現(xiàn)太陽系外首顆宜居行星

2011年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)Kepler-22b，這是科學(xué)家首次在太陽系之外發(fā)現(xiàn)的宜居行星。這顆宜居超級地球行星體積大，是一顆巖石星球，表面溫度可達(dá)到大約22攝氏度，該類似于地球溫泉溫度。

4、發(fā)現(xiàn)一顆“超級地球”

2017年4月，開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)首顆“超級地球”，這顆巨大行星被命名為LHS 1140b。它環(huán)繞一顆紅矮星運(yùn)行，距離地球大約4000萬光年，科學(xué)家認(rèn)為，這顆行星存在巨大的巖漿海洋。

5、發(fā)現(xiàn)Trappist-1恒星系統(tǒng)

Trappist-1恒星系統(tǒng)內(nèi)存在7顆類似地球的行星，這是2017年最大的天文發(fā)現(xiàn)之一。每顆行星環(huán)繞一顆矮星運(yùn)行，距離地球3900萬光年，行星表面很可能存在水資源。

目前科學(xué)家表示其中3顆行星具備生命宜居條件，暗示生命很可能在這幾顆行星表面進(jìn)化形成。據(jù)悉，開普勒探測器于2016年發(fā)現(xiàn)Trappist-1恒星系統(tǒng)，但是今年2月科學(xué)家在系列研報(bào)中才公布該恒星系統(tǒng)潛在生命宜居性。

開普勒如何發(fā)現(xiàn)行星？

開普勒探測器擁有非常靈敏的觀測儀器——分光計(jì)，能夠探測恒星釋放光線最輕微的變化。它能同時(shí)跟蹤分析10萬顆恒星，尋找恒星光線強(qiáng)度變?nèi)醯嫩E象，這將表明一顆軌道行星掠過衛(wèi)星和遙遠(yuǎn)目標(biāo)前方。

從地球角度觀測，當(dāng)一顆行星掠過恒星前方時(shí)，會出現(xiàn)“凌日”現(xiàn)象。凌日期間恒星光線的輕微減弱，將幫助科學(xué)家確定凌日行星的軌道和體積大小，以及恒星體積大小。

基于這些計(jì)算，科學(xué)家可以確定行星位于恒星的“宜居帶”，進(jìn)而可以分析該行星是否適宜外星生命存活。自開普勒探測器開始著手K2任務(wù)以來，現(xiàn)已完成了18項(xiàng)觀測任務(wù)，收集了大量遙遠(yuǎn)系外行星的觀測信息。

美國太空望遠(yuǎn)鏡頻現(xiàn)故障危機(jī)

美國宇航局稱，在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡由于一次故障導(dǎo)致關(guān)閉之后，該機(jī)構(gòu)在重新恢復(fù)太空望遠(yuǎn)鏡正常運(yùn)行方面獲得了“重大進(jìn)展”。10月5日，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡因陀螺儀故障而進(jìn)入安全模式，該望遠(yuǎn)鏡不得不啟用備用陀螺儀。然而陀螺儀以驚人的速度旋轉(zhuǎn)，因此美國宇航局無法切換啟用備用陀螺儀。

為了解決這個(gè)問題，美國宇航局試著測試IT支持技術(shù)——將陀螺儀關(guān)閉再打開。哈勃操作研究小組將陀螺儀關(guān)閉1秒，之后在感應(yīng)輪旋轉(zhuǎn)之前重啟陀螺儀。

之后研究人員指令操作一系列航天演練，或者以相反的方向試圖清除可能導(dǎo)致浮體偏離中心和產(chǎn)生超高速度的任何堵塞。

在每次航天演練中，陀螺儀從高速模式切換至低速模式，從而清除浮體周圍任何堵塞。10月18日演練之后，研究小組發(fā)現(xiàn)高速模式中明顯降低陀螺儀速度，可在低速模式下暫短時(shí)間內(nèi)測試速度。

美國宇航局表示，目前備用陀螺儀的旋轉(zhuǎn)速度已降低，現(xiàn)已處在預(yù)期范圍之內(nèi)。下步將進(jìn)行更多的測試，確保哈勃望遠(yuǎn)鏡能夠使用這個(gè)陀螺儀進(jìn)行科學(xué)操作。哈勃望遠(yuǎn)鏡是地球上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)已投入使用28年，逐漸顯露出老化跡象，可能不久將完全停止運(yùn)行。

短期內(nèi)沒有替代的太空望遠(yuǎn)鏡

像哈勃和錢德拉望遠(yuǎn)鏡這樣的天文觀測設(shè)備在太空中執(zhí)行觀測任務(wù)許多年時(shí)間，為我們提供了大量的觀測圖像和數(shù)據(jù)。這些奇妙的觀測設(shè)備，在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中具有不可估量的價(jià)值，但是隨著使用時(shí)間的增多，它們已處于老化階段，但是美國宇航局并沒有計(jì)劃替換這些老化天文設(shè)備。

錢德拉望遠(yuǎn)鏡

哈勃和錢德拉望遠(yuǎn)鏡有助于繪制遙遠(yuǎn)星系、窺探黑洞和定位發(fā)現(xiàn)新行星，但是天文學(xué)家擔(dān)心他們的“太空之眼”可能不久將變模糊。美國高校天文研究協(xié)會會長馬特·芒登 (Matt Mountain)稱，美國政府不愿在重大天文科學(xué)領(lǐng)域投資的狀況，開始讓我們擔(dān)憂，作為一個(gè)科研團(tuán)體，我們將面臨一個(gè)非常嚴(yán)峻的前景，有些領(lǐng)域沒有望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行勘測，那么無法進(jìn)行任何科學(xué)研究。

對這些大型望遠(yuǎn)鏡的繼任者提供資金的方案還亟待確定，美國宇航局天體物理學(xué)部門主任保羅·赫茲(Paul Hertz)稱，這都是“國家的選擇”，我們進(jìn)行的觀測任務(wù)受到科研團(tuán)體優(yōu)先級以及政府提供資金的影響。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射于1990年，本月初出現(xiàn)故障，不得不停止正常工作，使科學(xué)家進(jìn)一步意識到他們非常依賴28年前制造的天文設(shè)備，同時(shí)，他們對“后繼無人”的現(xiàn)狀感到擔(dān)憂。

錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)已操作使用20周年，并且已超出預(yù)期使用壽命將近15年。本月初，錢德拉望遠(yuǎn)鏡自動進(jìn)入安全模式是由于陀螺儀問題。美國宇航局表示，現(xiàn)已查明10月10日導(dǎo)致該望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入安全模式的原因，目前操作小組已成功恢復(fù)望遠(yuǎn)鏡正常指向模式。

研究人員表示，錢德拉望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入安全模式是由于其中一個(gè)陀螺儀出現(xiàn)故障，導(dǎo)致三秒為期周期的數(shù)據(jù)誤差，這將導(dǎo)致機(jī)載電腦計(jì)算錯(cuò)誤的航天器動量值。錯(cuò)誤的動量值引發(fā)進(jìn)入安全模式，美國宇航局稱，研究小組現(xiàn)已完成了陀螺儀切換，將故障設(shè)備在備用位置。

由于類似的陀螺儀故障，哈勃望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)已進(jìn)入休眠狀態(tài)。美國宇航局稱，錢德拉望遠(yuǎn)鏡的故障問題現(xiàn)已解決，但仍存在低燃料狀況，當(dāng)前不清楚還能維持多長時(shí)間。錢德拉和哈勃望遠(yuǎn)鏡在一周之內(nèi)相繼“休眠”純屬巧合。

近日，從事錢德拉望遠(yuǎn)鏡操作工作的哈佛-史密森天體物理中心天文學(xué)家喬納森·麥克道爾(Jonathan McDowell)發(fā)布推文聲稱，如果哈勃望遠(yuǎn)鏡能有一個(gè)小假期，我希望錢德拉望遠(yuǎn)鏡也有一個(gè)。

美國政治巨頭向美國宇航局提供充足資源和資金，支持上世紀(jì)70年代的大天文臺計(jì)劃，完成天文觀測設(shè)備的發(fā)射和維護(hù)。

據(jù)悉，現(xiàn)已建造四個(gè)太空望遠(yuǎn)鏡，能夠觀測從伽馬射線至紅外輻射的整個(gè)光線范圍，康普頓伽馬射線天文臺負(fù)責(zé)觀測伽馬射線，斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)觀測紅外輻射。此外，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)分析可見光和近紫外線光，錢德拉望遠(yuǎn)鏡負(fù)責(zé)分析X射線。

它們將發(fā)現(xiàn)并有助于揭曉黑洞、系外行星、新生恒星、宇宙年齡以及宇宙中能量最充沛的爆炸之謎。2001年，康普頓伽馬射線天文臺因陀螺儀問題而報(bào)廢，預(yù)計(jì)2019年斯皮策望遠(yuǎn)鏡將停止工作。

美國宇航局剩余兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)工作到2020年代，太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所哈勃任務(wù)負(fù)責(zé)人湯姆·布朗(Tom Brown)說：“目前人們突然意識到哈勃望遠(yuǎn)鏡不能永生。當(dāng)哈勃望遠(yuǎn)鏡無法使用時(shí)，在這個(gè)觀測范圍內(nèi)沒有可見或者紫外線望遠(yuǎn)鏡，這正是項(xiàng)目專家非常關(guān)心的事情。”

詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將研究太空紅外輻射，但由于延期和錯(cuò)誤，發(fā)射日期推移至2021年。當(dāng)前美國宇航局并未考慮替換錢德拉望遠(yuǎn)鏡，并進(jìn)一步研究X射線。

康普頓伽馬射線天文臺繼任者費(fèi)爾米太空望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目科學(xué)家、伽馬射線天體物理學(xué)家朱莉·麥金納里(Julie McInery)說：“在任何給定的望遠(yuǎn)鏡觀測范圍內(nèi)，你必須保持最低限度的活動，才能在科研團(tuán)體中擁有專業(yè)知識，這樣你才能繼續(xù)建造新的天文儀器。”

哈勃望遠(yuǎn)鏡

哈勃望遠(yuǎn)鏡的陀螺儀如何工作？

陀螺儀中的感應(yīng)輪保持每分鐘19200次的轉(zhuǎn)速，感應(yīng)輪安裝在一個(gè)密封圓柱體，被稱為“浮體”，它懸浮在密集液體上。

電流通過電線傳導(dǎo)至發(fā)動機(jī)，電線直徑近似于人類頭發(fā)，它們沉浸在液體之中。陀螺儀內(nèi)部的電子設(shè)備可以探測到感應(yīng)輪中心軸的微小運(yùn)動，并將這些信息傳送至哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的中心計(jì)算機(jī)。

陀螺儀有兩個(gè)模式——高模式和低模式，高模式是用于測量較高旋轉(zhuǎn)速度的簡易模式，適用于當(dāng)哈勃望遠(yuǎn)鏡在太空中從一個(gè)觀測目標(biāo)轉(zhuǎn)移至另一個(gè)觀測目標(biāo)時(shí)使用。低模式是用于測量詳細(xì)旋轉(zhuǎn)狀況的精確模式，適用于哈勃望遠(yuǎn)鏡鎖定一個(gè)觀測目標(biāo)，并需要望遠(yuǎn)鏡保持靜止?fàn)顟B(tài)。