2015年度邵逸夫天文学奖颁予天文学家及太空科学家威廉•伯鲁奇先生以表彰他构思及领导开普勒计划;这计划大大增进了人类对太阳系外行星系及恒星内部的认识。

2015年9月,香港天文学会理论天文组与威廉•伯鲁奇先生进行了一次访问。我们很高兴得到香港天文学会提供访问内容与大家分享。

(香港天文学会) 开普勒计划(Kepler Mission)面对的最大难题是甚么?

(伯鲁奇先生) 最大的难题是要说服其他人这个计划是可行的。计划中用的测光仪比以往用的仪器准确五百倍。

八十年代天文学上最重要的题目是火星生命的探索,其次是寻找系外行星。寻找系外行星是非常困难的任务并需要很先进的技术,成功与否决定于是否有足够资金及能否将不同资源组合起来加以利用。最初我们想用更好的非CCD测光仪,有人认为我们无法一次过观测数以万计的恒星,但我们需要这样做才能在统计上侦测到一些系外行星。

在当时,无论是专业还是业余天文学家都不能侦测到百分之一以下的恒星光度转变。我们可以作一个比较,在地球凌日时,在远处的其他星球观察,太阳的光度会有万分之一的变化。我们要建造一个太空中的观察器,向其他人证明这个方法是可行的。为此我们要付出高昂成本并且自己寻找观察器制造商及外太空推进器制造商。

(香港天文学会) 当时此计划是否已获得政府的财政支持?

(伯鲁奇先生) 政府只会在新的产品面世后,才会替我们支付费用。所以当我们要制造商替我们制造一件新的仪器(例如一块镜片),尤其是建造这件仪器如果需要几年时间,事情会变得复杂及困难。

我们曾经聘请了一位财务会计,他经常提醒我们不能这样做不能那样做,否则可能会犯法。最后我们解雇了他,因为他没有为我们处理有关问题。

(香港天文学会) 可否谈一谈业余天文爱好者的重要性?

(伯鲁奇先生) 业余天文爱好者十分重要,他们启发了很多人去学习科学,并向大众介绍了很多天文学里有趣的事情(如恒星、行星等),使大众的生活更加丰富,也使大众更容易了解其他的科学资讯。

(香港天文学会) 开普勒望远镜的设计(Kepler space telescope)有何特色?

(伯鲁奇先生) 它是一支可以同时观测大量恒星的广角施密特反射望远镜。望远镜的修正板并不厚,但足够在火箭发射时不容易被弄破。

(香港天文学会) 可否谈一谈开普勒计划中工程人员的重要性?

(伯鲁奇先生) 我们有超过一千名工作人员,他们包括策划人员、财务人员及数学家等。他们每一个人对计划的成功都十分重要,所以由我一个人代表他们获奖(邵逸夫天文学奖)好像有点尴尬。

(香港天文学会) 你是发明这一种发现系外行星方法的人吗?

(伯鲁奇先生) 是的,当其他人都说这个方法不行的时候,只有我狂热地去推行这个方法。

(香港天文学会) 当时你知不知到那时的CCD科技可以侦测得到这样微少的恒星光度变化?

(伯鲁奇先生) 我是自己建造测光仪的,在工作室中和其他人员研究如何把测光仪做得比其他人更好。我们尝试各种不同类型的测光仪,起初尝试用量子完美测光仪而非CCD测光仪,可惜它不能校准。

(香港天文学会) CCD测光仪运作时会产生大量热能,你们怎样冷却它来降低噪声以提高讯噪比?

(伯鲁奇先生) 由于在太空中没有对流,所以我们使用辐射散热。散热管把测光仪连接到辐射散热板。望远镜是管状的,在一面是太阳能发电板,在另一面是辐射散热板。在散热管内有一种容易蒸发的液体,但这样的散热系统在没有重力的太空中运作是比较复杂的。

(香港天文学会) 在银河系中太阳系前进和后退的方向都有很多背景恒星可作观测,为何开普勒望远镜指向天鹅座太阳系前进的方向而非太阳系后退的方向?

(伯鲁奇先生) 两个方向也有很多恒星,但我们需要在南和北之间作出衡量并选择其一。我们主要是要观测矮星,特别是G型矮星,所以我们先要对那些背景恒星进行分类,再进行观测获取数据。地球上大部份的巨型地面望远镜都在北半球,方便向天鹅座作恒星分类观察,也方便我们进行后续观测,确认观测结果。

(香港天文学会) 业余天文爱好者可以怎样帮助开普勒计划?

(伯鲁奇先生) 我们需要对系外行星作三次凌星观测才能确认它的存在。如果开普勒望远镜对某恒星只作了两次凌星观测,并不能确认系外行星的存在,业余天文爱好者可跟进作第三次凌星观测以确认新发现的系外行星。这是我们希望业余天文爱好者作出的参与。为此,我们向公众开放了有关的资讯。

附录

开普勒望远镜如何寻找系外行星?

开普勒望远镜使用凌日法寻找系外行星。如果一颗系外行星从它的母恒星前面经过,它便会遮蔽部份母恒星的星光使其变暗,这种变暗现象是周期性的。如要观测到此现象,系外行星的轨道面必需与地球上的观测者的视线对齐,但这机率是非常少。所以要同时观测大量的恒星,才能在统计上获得有意义的结果。

(图片来源: https://www.quora.com/What-are-the-most-prominent-methods-for-detecting-exoplanets)

文: 香港天文学会理论天文组组长梁振声博士
             香港天文学会理论天文组资深会员冯宝基老师
             香港天文学会理论天文组资深会员吴国伟先生