答：開普勒太空望遠鏡尋找太陽系外行星使用的是什麼方法？

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空少問答

小課堂

第九十四期

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一

答：開普勒太空望遠鏡尋找太陽系外行星使用的是什麼方法？

上周六，空少為大家留了1個問題，來看看空少的解答以及從留言中選出的最佳答案吧！

想要查看原問題背景介紹的朋友們可以點擊《問：開普勒太空望遠鏡尋找太陽系外行星使用的是什麼方法？》~下面就讓我們來看看空少的解答吧！

空少正解

上期我們講到，10月31日，美國航空航天局NASA宣布開普勒太空望遠鏡（Kepler Space Telescope）正式退役。其實，早在2013年，開普勒空間望遠鏡就遭遇重大故障，在經過數個月的努力後，NASA宣布放棄修復，開普勒望遠鏡就此結束搜尋太陽系外類地行星的主要任務，但仍用於科研工作；到了今年7月，其燃料就已即將耗盡，終於在10月末迎來正式退役。

開普勒太空望遠鏡藝術圖（來源：NASA/Ames/Dan Rutter）

這枚太空望遠鏡為人類探索太空做出諸多貢獻，服役期間曾發現2662顆太陽系外的行星。那麼問題來了，它在尋找太陽系外行星使用的是什麼方法，難道是直接光學成像看到我們地球外觀的星球嗎？

即使太空望遠鏡十分巨大，並且身處太空中避免了地球大氣的干擾，觀測能力比地球上的望遠鏡更強，但要以光學成像清晰看到遙遠太空的行星仍然是不現實的，它們不但太小（在宇宙中地球大小的天體太過渺小），本身也不發光，反射恆星的光很微弱。

開普勒太空望遠鏡使用的是名為「凌星法」的方法，也是相對使用最為頻繁的方法。簡而言之，開普勒望遠鏡在長時間裡對超過十萬顆恆星進行監視，掃描並記錄每一顆恆星在不同位置的亮度變化，在分析這些光變曲線後，才得出大量系外星系的數據，也稱為「開普勒天體」，例如下圖中太陽系外行星編號「Kepler-186f」。

由開普勒太空望遠鏡發現的太陽系外行星Kepler-186f的藝術圖

（來源：NASA/Ames/JPL-Caltech/T. Pyle）

凌星法的基本原理是，對於那些公轉軌道面與視線方向很接近的外星行星來說，行星有可能從母恆星的前方通過，情況猶如發生在太陽系中的水星凌日或金星凌日，天文學上稱為行星凌星。在凌星期間，恆星的亮度會因被前方的行星遮掩而減弱，並且這種亮度減弱現象的出現是周期性的，由此便可探知恆星周圍有行星存在。因凌星現象而使恆星亮度減弱的程度很小，凌星發生時一顆木星大小的行星會使母恆星的亮度降低約1%，而對地球大小的行星來說相應的數字僅為0.01%。由此可見，要通過這條途徑來發現外星行星，必須有很高的測光精度。這也正是開普勒望遠鏡的長處。

開普勒望遠鏡帶有0.95米孔徑的太空分光計。它不在環繞地球的軌道上，而是在尾隨地球的太陽軌道，所以不會被地球遮蔽而能持續的觀測，光度計也不會受到來自地球的漫射光線影響。光度計指向天鵝座和天琴座所在的領域，遠離了黃道平面，所以在繞行太陽的軌道上，陽光也不會滲漏入光度計內。天鵝座也不會被太陽系的凱伯帶或小行星帶的天體遮蔽到，所以在觀測上是一個很好的選擇。這樣選擇的另一個好處是開普勒所指向的方向是太陽系繞著銀河系運動的中心，因此開普勒所觀察到的恆星與銀河中心的距離大致上與太陽系是相同的，並且也都靠近銀河的盤面。

示意圖：恆星被行星遮擋時，恆星亮度降低

（來源：Wikipedia: File:Planetarytransit.svg）

開普勒望遠鏡會先進行凌星預測，根據預測掃描並記錄恆星在不同位置的亮度變化，也即是獲取凌星觀測數據後，再進行關於雜訊等的數據預處理，就會進入正式的分析。分析時，會對待測恆星（也就是目標的恆星）、周圍的比較星以及校驗星進行較差測光，利用孔徑較差測光方法得到待測恆星的光變曲線，以此為依據計算行星的直徑、質量乃至大氣結構等複雜的參數。詳細的計算和估計方法限於篇幅在此不再贅述。

留言區·精選

@水蛇?????????

它通過觀測行星的「凌日」現象搜尋太陽系外類地行星。凌日是內行星經過日面的一種天文現象。水星和金星的繞日運行軌道在地球軌道以內，稱內行星。

如果這兩顆行星的一顆恰好從地球與太陽之間經過，地球上的觀察者就會看到有一個黑點從太陽圓面通過，需時大約為一個多小時，人們把這種現象稱為凌日。

@ Leon

利用「凌日」大法，行星經過恆星時會遮擋恆星的光芒，我們測得的恆星亮度會下降，由此判斷。

感謝大家的支持，我們下期再見！

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