【蒋迅专栏（五）】开普勒太空望远镜 ——一个被否决四次的NASA项目

(本文完成于2012年，关于开普勒太空望远镜的描述仅指当时情况)

开普勒太空望远镜 - 寻找适合生命的地外世界
Source: NASA

到现在，已经没有人怀疑开普勒太空望远镜 (Kepler Space Telescope) 的成就了。到2012年11月，开普勒太空望远镜开机三年半，完成了预定的目标，转而开始执行下一个四年的探索计划。开普勒小组宣布了新一批超过一千颗新发现的系外行星候选体，从而让疑似系外行星的候选体目标总数达到了2321颗。但是，这个项目在申请立项时被连续四次被拒，从1997年最初提出申请到最后2009年发射经历了十多年的时间才实现。回顾一下这段经历，也许对科研人员是一个好教材。

开普勒太空望远镜发现许多类地行星
Source: NASA

“开普勒太空望远镜”的基本思想其实很简单。让我们先用日食来比喻。当月球飞到地球和太阳之间时，太阳的部分光线被挡住，到达地球的阳光就减少，这就是日食。有时月球把整个太阳都挡住了，地球上就会一片漆黑，这就是日全食。在太阳系中还有金星凌日现象。同样的，当一颗地外行星飞过自己所环绕的恒星而处于地球和这颗恒星之间时，到达地球的光线也会减少。虽然这要求地球必须在地外行星轨道的平面上，但是由于有大量的恒星可以观测，人们可以乐观地认为可以捕捉到带有行星的恒星，条件是有很多恒星事实上是有自己的行星，甚至有适合生命的行星。如果我们有办法能检测到这样由于行星而造成的光线减弱的话，那我们就能证实地外行星的存在了。这个思想早在1971年被由计算机科学家弗兰克·罗森布拉特（Frank Rosenblatt）提出的。他认为，可以在地面上设立三个装置了感光耦合元件 (CCD) 的小型望远镜来同时观测大量的星星。如果三架望远镜都观测到某个恒星的微小亮度减弱的话，那我们就可以猜猜那里有行星存在了。特别遗憾的是，罗森布拉特当年晚些时候就在一次意外事故中身亡。他没有来的及去传播他的这个思想。直到1984年，NASA科学家威廉·博鲁茨基（William J. Borucki）和奥黛丽·萨默斯（Audrey Summers）又重新研究了这个思想。他们认为，地外行星的凌日现象可以被高精度的测光仪器检测到，而且可以把大尺径的望远镜设在太空中来避免很多在地面上不得不面对的麻烦。他们没有想到的是，他们必须用16年的时间来证明这个思想是正确的。

开普勒太空望远镜工作原理示意图 
Source: NASA

虽然“开普勒太空望远镜”的基本思很简单，但是实践起来其实极其困难。原因就在于它的精度要求实在太高了。它的高精度是个什么概念呢？假定我们要找的是一个地球大小的围绕着我们的太阳大小的恒星的行星，而且这颗恒星距离我们有数光年之遥。那么这颗地外行星凌日事件所产生的恒星亮度的减弱只有84-百万分率 (ppm)。因此，必须能识别百分之零点零一的变化。好在在罗森布拉特提出用CCD技术之后的二十多年里，CCD技术取得了长足的进步。人们可以真的尝试这个思路。1987年，博鲁茨基和他的团队在NASA和NIST举办的一次研讨会上介绍了他们开发高精度光度计的工作。此后，他们制造了几个不同的样机用于证实他们的思路。

1992年，当NASA设立了“探索计划”(Discovery Program) 时，博鲁茨基他们第一次提出了他们的项目。他们把这个项目称为“地球大小的内行星的频率”(FRESIP)。但是这个项目被NASA否决了。虽然他们的项目在科学价值上得到了一致好评，但没人相信存在他们所要采用的技术。

1994年，当NASA再次征集“探索计划”的项目时，这个团队再次递交了这个项目。这一次，他们提出把卫星放置在一个拉格朗日点 (Lagrangian point) 上。理想状态下，两个同轨道物体以相同的周期旋转，两个天体的万有引力与离心力在拉格朗日点平衡，使得卫星与前两个物体相对静止。当然卫星在这个位置上并不能做到完美的平衡，所以必须开动发动机做一些调整，而发动机和燃料都很昂贵。由于预算超过了“探索计划”允许的限额，NASA第二次否决了他们的项目。

1996年，这个团队第三次提出了他们的项目。为了减少开支，他们把卫星轨道从拉格朗日点换到了日心轨道上，而且提出了三个旨在减少开支的设计方案。同时，他们把项目改名为“开普勒”。这一次，NASA对预算没有再提出异议，但对他们的CCD技术提出质疑。原来一年前，他们在硅谷以东的利克天文台 (Lick Observatory) 上已经测试了他们制造的CCD探测器。他们已经得出结论，用这种探测器再加上用数学公式对数据做系统的修正，他们可以把精度提高到10-ppm，从而满足寻找类地行星的精度要求。但是项目评审人怀疑他们能把这个系统全自动化。他们的结果是对一个固定的恒星进行的，但数据分析不是自动完成的。于是当面对数千个恒星的观测数据时，自动的数据处理就成了关键。“造一个系统出来看看”，评审员写到。

OK，那就造一个！他们在利克天文台就真地造了一个自动光度计并把数据联到埃姆斯研究中心的计算机系统上。这样，从读取数据到分析数据，他们有了一个自动的系统。

1998年，NASA的“探索计划”再次征集项目时，他们第四次提出了这个项目。现在他们在科学上证明了项目的价值，技术上证明了项目的能力，数据上也实现了自动化。但NASA还是否决了他们的申请，因为他们“没有证明抗干扰的功能”。当卫星在发射到了轨道上以后会有定位抖动和恒星变化等干扰，他们必须能在有干扰的情况下仍然保证得到同样的精度。

可是他们不能在地面天文台里做这样的实验，因为大气层本身的波动干扰实在太大了。他们只好设计一个室内的实验设备：在一块铁板上扎出一些各种尺寸的小洞，从铁板的后面加一个灯光源，这样在铁板的另一面看上去就像是星空了。实验时让铁板震动起来以达到数据扰动的效果。人造星空是有了，他们还必须在这个人造星空里能够让“星星”的亮度发生84-ppm的变化。这也不是轻而易举的事情。如果用一块玻璃盖住小洞的话，亮度只减少百分之八，距离要求还差一千倍。没有现成的技术成果帮助他们。他们只好自己动手。经过一番努力，他们终于取得了成功。他们证明了抗干扰的能力。

2000年，他们第五次递交了申请。2001年，他们的申请终于被批准了。这时候距离罗森布拉特提出这个概念已经30年，距离博鲁茨基重提这个概念也已经16年，距离他的团队第一次申请资助也已经10年了。又经过8年的时间，“开普勒太空望远镜”发射升空。这样一个曾经被认为不可思议的项目终于实现了。随后的成功证明了这个思路是正确的。

开普勒太空望远镜锁定的空间
Source: NASA

本文不准备讨论“开普勒太空望远镜”立项以后的事情，虽然那些故事也很精彩。我想说的是，为什么“开普勒太空望远镜”能有今天。我认为有两个重要的因素。

NASA科学家博鲁茨基
Source: NASA

第一，多亏了有这样一位执着的人：博鲁茨基。

博鲁茨基可以说是一个铁杆航天迷。他的童年是在威斯康星州的一个小镇上长大的。他自小就对星空感兴趣。至今仍清晰地记得他和夥伴们在新月的晚上数星星。他们一起制造了安装了照相机的望远镜，然后拍摄星系。在夏天，他们会骑自行车到附近的叶凯士天文台（Yerkes Observatory）去用那里的40英寸望远镜来观测天象。大型望远镜能让他看到自制的土望远镜看不到的东西，但他更陶醉于自己动手做（DIY ）。他说，“有趣的是按照自己的想法去做，这样你才能理解它们是如何工作的”。他还会和小夥伴一起发射自制的小火箭。那里地广人稀，火箭落下来时唯一可能伤及的是牲畜。每次发射时，他们就把当地的小路暂时封掉。空旷的大地给了他们充分的自由。在学校里，他是学校科技小组的主席。有时候，他们否决了老师提出的研究题目，然后根据自己的兴趣进行科学研究。小博鲁茨基喜欢业余无线电发射，值做电子仪器和天线。他不但想跟世界各地的人联系，甚至想跟外星人联系。他们决定制造一个发射机去接通UFO。博鲁茨基制作了一个紫外线发射机，其他同学制作了红外线发射机、可见光发射机和地磁发射机。当然他们的实验最后都没有成功，但通过这些制作，他们锻炼了动手能力和独立自主的主动性。有时候，失败也是一个人进步的必经之路。博鲁茨基在少年时代就明白了这个道理。高中毕业后，从小喜欢科学的他进入威斯康星大学学习物理。1960年和1962年，他分别获得了物理学学士学位和硕士学位。在找工作的时候，他只申请了一个地方：NASA。从此以后一直在NASA工作，参与了包括阿波罗项目在内得多个重要项目。正是在阿波罗项目里，他接触到了光度测定 (photometry)。他意识到这很可能这是寻找地外行星的一个新的方法。此后，他花了十多年的时间去制作各种光度测定仪器，终于确信了这个方法一定能成功。这是“开普勒太空望远镜”能有今天的第一个原因。

博鲁茨基和同事利用超级计算机分析数据
Source: NASA

第二，有NASA的大力支持。

虽然NASA四次拒绝资助“开普勒太空望远镜”项目，但是NASA并不是对这个项目一推了之，而是一直在帮助博鲁茨基的团队创造条件，以便让这个项目变得更成熟。早在1984年，NASA埃姆斯研究中心就出资举办高精确度测光研讨会 (Proceedings of the Workshop on Improvements to Photometry)。1988年又举行了第二次研讨会 (Second Workshop on Improvements to Photometry)。NASA总部出资，让他们开发和测试硅光电二极管基础上的多通道光度计 (multichannel photometers based on silicon photodiodes)，在国家统计局和埃姆斯研究中心进行的测试表明，二极管有非常高的精度，但要减少它的热噪声，需要将它冷却到接近液氮的温度。以后，NASA总部和埃姆斯研究中心又多次用小项目的方法资助了博鲁茨基的团队，使得他们可以建造概念仪器并进行实验。埃姆斯研究中心提供了超级计算机系统，以便分析数据。在第三次否决这个项目的时候，NASA总部和埃姆斯研究中心出资让他们造出一个自动光度计。可以想象，没有NASA的大力资助，“开普勒太空望远镜”就只能永远是纸上谈兵。

对于象NASA这样的机构，一个项目申请被拒绝不是一件不寻常的事情。不寻常的是坚持一个信念并创造取得成功的条件。“开普勒太空望远镜”项目有幸有博鲁茨基，有NASA。

现在，“开普勒太空望远镜”仍在默默地工作着。它的工作说起来有些过于简单：每6秒钟对同一个星区拍照一次。几年来，这个团队收集了越来越多的数据。数据越多，发现的小行星越多，适于居住的行星也越多。人们就可以回答一个困扰科学家很久的问题：“有很多适合生命存在的‘地球’吗”？如果答案是肯定的，那么生命就可能在另一个行星上存在。因此，人们可以考虑新的挑战：寻找地外生命。不知道下一个“博鲁茨基”在哪里，不知道下一个“NASA”在哪里？

参考文献：

1. 陈学雷：寻找太阳系外的地球

2. 开普勒空间望远镜延长任务 已发现千颗系外行星

3. ASK: Kepler: The Long Road to Other Worlds

4. William Borucki - Kepler Mission Science Principal Investigator

5. Kepler Team - William Borucki

6. Long Journey to Liftoff: Kepler Scientist Faced Decades of Obstacles, Skepticism

7. Kepler Finds 1235 Planets in Four Months: William Borucki Q&A

8. BRIEF HISTORY OF THE KEPLER MISSION

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