2015年度邵逸夫天文學獎頒予天文學家及太空科學家威廉•伯魯奇先生以表彰他構思及領導開普勒計劃;這計劃大大增進了人類對太陽系外行星系及恒星內部的認識。

2015年9月,香港天文學會理論天文組與威廉•伯魯奇先生進行了一次訪問。我們很高興得到香港天文學會提供訪問內容與大家分享。

(香港天文學會) 開普勒計劃(Kepler Mission)面對的最大難題是甚麽?

(伯魯奇先生) 最大的難題是要說服其他人這個計劃是可行的。計劃中用的測光儀比以往用的儀器準確五百倍。

八十年代天文學上最重要的題目是火星生命的探索,其次是尋找系外行星。尋找系外行星是非常困難的任務並需要很先進的技術,成功與否决定於是否有足夠資金及能否將不同資源組合起來加以利用。最初我們想用更好的非CCD測光儀,有人認為我們無法一次過觀測數以萬計的恆星,但我們需要這樣做才能在统計上偵測到一些系外行星。

在當時,無論是專業還是業餘天文學家都不能偵測到百分之一以下的恆星光度轉變。我們可以作一個比較,在地球凌日時,在遠處的其他星球觀察,太陽的光度會有萬分之一的變化。我們要建造一個太空中的觀察器,向其他人證明這個方法是可行的。為此我們要付出高昂成本並且自己尋找觀察器製造商及外太空推進器製造商。

(香港天文學會) 當時此計劃是否已獲得政府的財政支持?

(伯魯奇先生) 政府只會在新的產品面世後,才會替我們支付費用。所以當我們要製造商替我們製造一件新的儀器(例如一塊鏡片),尤其是建造這件儀器如果需要幾年時間,事情會變得複雜及困難。

我們曾經聘請了一位財務會計,他經常提醒我們不能這樣做不能那樣做,否則可能會犯法。最後我們解僱了他,因為他沒有為我們處理有關問題。

(香港天文學會) 可否談一談業餘天文愛好者的重要性?

(伯魯奇先生) 業餘天文愛好者十分重要,他們啓發了很多人去學習科學,並向大眾介紹了很多天文學裡有趣的事情(如恆星、行星等),使大眾的生活更加豐富,也使大眾更容易了解其他的科學資訊。

(香港天文學會) 開普勒望遠鏡的設計(Kepler space telescope)有何特色?

(伯魯奇先生) 它是一支可以同時觀測大量恆星的廣角施密特反射望遠鏡。望遠鏡的修正板並不厚,但足夠在火箭發射時不容易被弄破。

(香港天文學會) 可否談一談開普勒計劃中工程人員的重要性?

(伯魯奇先生) 我們有超過一千名工作人員,他們包括策劃人員、財務人員及數學家等。他們每一個人對計劃的成功都十分重要,所以由我一個人代表他們獲獎(邵逸夫天文學獎)好像有點尷尬。

(香港天文學會) 你是發明這一種發現系外行星方法的人嗎?

(伯魯奇先生) 是的,當其他人都說這個方法不行的時候,只有我狂熱地去推行這個方法。

(香港天文學會) 當時你知不知到那時的CCD科技可以偵測得到這樣微少的恆星光度變化?

(伯魯奇先生) 我是自己建造測光儀的,在工作室中和其他人員研究如何把測光儀做得比其他人更好。我們嘗試各種不同類型的測光儀,起初嘗試用量子完美測光儀而非CCD測光儀,可惜它不能校準。

(香港天文學會) CCD測光儀運作時會產生大量熱能,你們怎樣冷却它來降低噪聲以提高訊噪比?

(伯魯奇先生) 由於在太空中沒有對流,所以我們使用輻射散熱。散熱管把測光儀連接到輻射散熱板。望遠鏡是管狀的,在一面是太陽能發電板,在另一面是輻射散熱板。在散熱管內有一種容易蒸發的液體,但這樣的散熱系统在沒有重力的太空中運作是比較複雜的。

(香港天文學會) 在銀河系中太陽系前進和後退的方向都有很多背景恆星可作觀測,為何開普勒望遠鏡指向天鵝座太陽系前進的方向而非太陽系後退的方向?

(伯魯奇先生) 兩個方向也有很多恆星,但我們需要在南和北之間作出衡量並選擇其一。我們主要是要觀測矮星,特別是G型矮星,所以我們先要對那些背景恆星進行分類,再進行觀測獲取數據。地球上大部份的巨型地面望遠鏡都在北半球,方便向天鵝座作恆星分類觀察,也方便我們進行後續觀測,確認觀測結果。

(香港天文學會) 業餘天文愛好者可以怎樣幫助開普勒計劃?

(伯魯奇先生) 我們需要對系外行星作三次凌星觀測才能確認它的存在。如果開普勒望遠鏡對某恆星只作了兩次凌星觀測,並不能確認系外行星的存在,業餘天文愛好者可跟進作第三次凌星觀測以確認新發現的系外行星。這是我們希望業餘天文愛好者作出的參與。為此,我們向公眾開放了有關的資訊。

附錄

開普勒望遠鏡如何尋找系外行星?

開普勒望遠鏡使用凌日法尋找系外行星。如果一顆系外行星從它的母恆星前面經過,它便會遮蔽部份母恆星的星光使其變暗,這種變暗現象是周期性的。如要觀測到此現象,系外行星的軌道面必需與地球上的觀測者的視線對齊,但這機率是非常少。所以要同時觀測大量的恆星,才能在统計上獲得有意義的結果。

(圖片來源: https://www.quora.com/What-are-the-most-prominent-methods-for-detecting-exoplanets)

 

文: 香港天文學會理論天文組組長梁振聲博士
             香港天文學會理論天文組資深會員馮寶基老師
             香港天文學會理論天文組資深會員吳國偉先生