開普勒號太空望遠鏡機器維修

2013年5月，在搜尋系外行星方面功能最為強大的美國宇航局開普勒空間望遠鏡發(fā)生重大故障，衛(wèi)星基本停止了正常的觀測工作，如果宇航局的工程師無法及時對其進行修復(fù)，那么這項耗資6億美元的空間項目將有可能提前夭折。

2013年8月19日消息，據(jù)美國宇航局網(wǎng)站報道，在經(jīng)過連續(xù)數(shù)月的分析和測試之后，美國宇航局開普勒望遠鏡項目團隊日前正式宣布放棄讓這臺望遠鏡重新恢復(fù)到完全工作狀態(tài)的努力，轉(zhuǎn)而考慮在目前的不利條件下，這臺望遠鏡設(shè)備還能承擔(dān)何種形式的科學(xué)任務(wù)。

開普勒望遠鏡已經(jīng)于2012年11月份完成其主要科學(xué)使命，并緊接著開始了其原計劃為期4年的計劃延長期。其主要的科學(xué)任務(wù)是搜尋太陽系之外圍繞遙遠恒星運行的系外行星體。然而由于已經(jīng)無法湊齊3個反應(yīng)輪維持望遠鏡的正常工作狀態(tài)，項目組決定一邊對此前已經(jīng)收集的大量數(shù)據(jù)進行分析，一邊由工程師團隊嘗試對故障反應(yīng)輪進行修復(fù)，同時積極考慮如果維修失敗，這臺先進的空間望遠鏡是否還仍然可以承擔(dān)一些其它類型的科學(xué)任務(wù)。

2013年5月15日，開普勒空間望遠鏡由于反應(yīng)輪故障，無法設(shè)定望遠鏡方向，因此被迫停止其搜尋系外行星任務(wù)。2013年8月18日，美國國家航空航天局表示無法修復(fù)，正式結(jié)束其主要科學(xué)任務(wù)。

1、太空分光計:0.95米孔徑;

2、主鏡:直徑1.4米，85%的中空結(jié)構(gòu);

3、CCD探測鏡:9500萬像素(42個2200x1024象素的電子耦合器);

4、帶通:峰值半高寬為430-890毫微米;

5、動態(tài)探測范圍:9-16個星等(magnitude stars);

6、優(yōu)質(zhì)制導(dǎo)傳感器:4個電子耦合器(CCDs)定位在科學(xué)焦點平面上;

7、科學(xué)數(shù)據(jù)存儲時間:大于60天;

8、上行X波段:7.8125 bps -2kbps;

9、下行X波段:10 bps-16kbps;

10、下行Ka波段:最大值為4.33125 Mbps;

11、除一次性裝置之外，所有機械裝置表面都有覆蓋層，主鏡有三個聚焦裝置;

12、飛行組件和裝配儀器的質(zhì)量:1071公斤(預(yù)計最大值);

13、飛行組件和裝配儀器的功率:771瓦(預(yù)計最大值)

1、開普勒望遠鏡是世界是第一個真正能發(fā)現(xiàn)類地行星的太空任務(wù)，它將發(fā)現(xiàn)宜居住區(qū)圍繞像我們太陽似的恒星運轉(zhuǎn)的行星。水是生命之本，此宜居住區(qū)得是恒星周圍適合于水存在的一片溫度適宜的區(qū)域，在這種溫度下的行星表面可能會有水池存在。

2、在開普勒望遠鏡三年半多的任務(wù)結(jié)束之前，它將讓我們更好地了解其它類地行星在我們銀河系到底是多還是少。這將是回答一個長久問題的關(guān)鍵一步，此問題就是:我們是宇宙中惟一的么?

3、開普勒望遠鏡通過發(fā)現(xiàn)恒星亮度周期性變暗來探測太陽系外行星。 當(dāng)我們從地球上某個位置來觀察天空時，如果有行星經(jīng)過其母恒星的前面，就能發(fā)現(xiàn)此行星會導(dǎo)致其母恒星亮度稍微變暗。開普勒望遠鏡更能洞悉這一情況。

4、開普勒望遠具有太空最大的照相機，有一個95兆像素的電荷偶合器(CCD)陣列，這就像我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)碼相機中的CCD一樣。

5、開普勒望遠鏡如此強大，以至于它從太空觀察地球時，能發(fā)現(xiàn)居住在小鎮(zhèn)上的人在夜里關(guān)掉他家的門廊燈。

6、開普勒太空望遠鏡定位在地-日系統(tǒng)的第二拉格朗日點，圍繞太陽運轉(zhuǎn)，所以可以全時段檢測目標(biāo)天區(qū)。

7、觀測目標(biāo)遠離黃道面，可避免太陽系天體掩食的干擾。

開普勒太空望遠鏡由外面位于科羅拉多州波爾德市的大氣和太空物理實驗室(LASP)負責(zé)運作。太陽陣列在每年位于分至點時會轉(zhuǎn)動至正對著太陽的方向，這些轉(zhuǎn)動將用來優(yōu)化照射到陣列上的陽光，并使熱輻射器保持指向深太空的方向。同時，LASP和貝爾太空科技公司(該公司負責(zé)建造太空船和儀器)從位于科羅拉多州波爾德市的科羅拉多大學(xué)的控制中心進行操作。LASP進行基本的任務(wù)計劃和科學(xué)資料最初的收集和分發(fā)工作。

NASA每星期兩次透過X-波段的通信線路與太空船聯(lián)系，下達指令和進行狀態(tài)更新，每個月一次使用Ka帶下載科學(xué)性的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)淖畲笏俾适?.33Mb/s。開普勒太空船在船上會自己進行部分的資料分析，只在必要時才會傳送科學(xué)性的數(shù)據(jù)，以保持帶寬。

在任務(wù)期間由LASP收集的遙測科學(xué)資料會被送至位于馬里蘭州巴爾的摩約翰霍普金斯大學(xué)校園內(nèi)的太空望遠鏡技術(shù)學(xué)院開普勒數(shù)據(jù)管理中心(DMC)。這些遙測科學(xué)資料會被解碼并且處理成未校正的FITS-并由DMC格式化成科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，然后通過在NASA的艾美斯研究中心的科學(xué)操作中心(SOC)進行校正和最后的處理。SOC將送回校正和處理好的數(shù)據(jù)產(chǎn)品和科學(xué)結(jié)果給DMC做長期的歸檔和經(jīng)由在STScl的多任務(wù)檔案(MAST)分送給世界各地的天文學(xué)家。

開普勒不在環(huán)繞地球的軌道上，而是在尾隨地球的太陽軌道上，所以不會被地球遮蔽而能持續(xù)的觀測，光度計也不會受到來自地球的漫射光線影響。這樣的軌道避免了重力攝動和在地球的軌道上固有扭矩，可以有一個更加穩(wěn)定的觀測平臺。光度計指向天鵝座和天琴座所在的領(lǐng)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(nèi)。天鵝座也不會被古柏帶或小行星帶的天 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恒星與銀河中心的距離大致上與太陽系是相同的，并且也都靠近銀河的盤面。這是個很重要的事實，如果星系也有適居帶的位置，就如同建議的地球殊異假說。

估計太空船的質(zhì)量是1039公斤，口徑是0.95米，主鏡(在地球軌道之外最大的鏡片)1.4米，視野(FOV)有105 deg2(大約12度的直徑)，大約是胳膊伸直時一個拳頭遮蔽的視野。光度計有一個柔軟的焦點提供良好的光度測量，而不是清晰的圖像。結(jié)合的光度差異精確性(CDPP，combined differential photometric precision)，對一顆m(V)=12類似太陽的恒星，進行6.5小時的影像綜合是20ppm，已包括恒星本身預(yù)期可能的 10ppm光度變化。而一顆類似地球的行星凌星造成的光度變化是84ppm，而且軌道經(jīng)過恒星中心時至少將持續(xù)13小時。焦平面由42個1024 X 2200的CCD組成，每個畫素的大小是27微米，是發(fā)射至太空中最大的照相機。這個陣列由一條連結(jié)到外面的熱導(dǎo)管來冷卻。CCD每3秒中讀出一次資料，并且可以暫留15分鐘，只有對應(yīng)到有興趣目標(biāo)恒星畫素的資料才會被保存，并透過遙測傳回到地面。這個任務(wù)在生命周期中，包括持3.5年的運作，估計要花費6億美金。

據(jù)美國宇航局網(wǎng)站最近報道，美國宇航局在搜尋系外行星方面正迎來兩個里程碑式的事件。首先持續(xù)時間長達3年半的開普勒太空望遠鏡圓滿地完成了其主任務(wù)期;另一方面，這一功勛卓著的太空望遠鏡設(shè)備即將開始其延長任務(wù)期，該延長任務(wù)期將持續(xù)4年。

開普勒探測器計劃對銀河系內(nèi)10萬多顆恒星進行探測，希望搜尋到能夠支持生命體存在的類地行星。

一、測定在多樣性光譜型恒星適宜居住區(qū)域內(nèi)部或周圍的陸地行星和大型行星數(shù)量

這一行星測定數(shù)據(jù)源自行星的數(shù)量和大小，以及被監(jiān)控恒星的數(shù)量和光譜類型。即使開 普勒探測器發(fā)現(xiàn)這一數(shù)據(jù)為零，也具有很重要的科學(xué)意義，畢竟證實了更多數(shù)目的恒星體系經(jīng)過了搜索勘測。排除了可能出現(xiàn)適宜居住行星的可能性。

二、測定不同體積大小行星的分布，以及行星的半長軸(semimajor axes)

測定不同體積大小行星的分布狀況主要源自觀測該行星微弱光亮的遞減度和所在恒星體系的特征。

基于開普勒第三定律，通過測定恒星的質(zhì)量和周期年齡特征，可進一步確定行星半長軸相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料。據(jù)悉，開普勒第三定律的內(nèi)容是:行星距離太陽越遠，行星的受力越弱，行星的加速度減小，故運行得越慢，行星的公轉(zhuǎn)周期就越長。行星半長軸還可通過地面分光鏡和恒星模型的觀測結(jié)果得出，測定行星半長軸出現(xiàn)的不確定因素是與所在恒星體系中中心恒星質(zhì)量有關(guān)。

三、評估多恒星體系中行星的數(shù)量和行星的軌道分布狀況

這項評估可對比一對多恒星體系中發(fā)現(xiàn)行星系統(tǒng)的數(shù)量來實現(xiàn)，如果該多恒星體系是緊密地結(jié)合在一起，或者是可通過高角分辨率觀測的較廣闊空間體系，使用地面上的分光鏡儀器便可觀測這樣的多恒星體系。

四、測定短周期巨行星的密度、質(zhì)量、體積大小、反照率、半長軸

短周期巨行星可通過它們的反射光變化來探測發(fā)現(xiàn)，同樣，它們的半長軸測定也是源自于使用開普勒第三定律測定恒星的質(zhì)量和周期年齡特征。

凌日行星(planetary transit)的數(shù)量占已測定一定大小行星數(shù)量的10%。在太陽系內(nèi)，凌日是內(nèi)行星經(jīng)過太陽與地球之間，對太陽面產(chǎn)生部分遮擋的一種天文現(xiàn)象。如果這兩顆內(nèi)行星的一顆恰好從地球與太陽之間經(jīng)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(xiàn)象稱為凌日。對于太陽系外的恒星而言，凌日則是指該恒星的行星經(jīng)過該恒星和地球的連線之間，對地球觀察者產(chǎn)生部分遮掩恒星的天文現(xiàn)象。

按照探測計劃，開普勒探測器在探測任務(wù)的最初幾個月內(nèi)將發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的短周期巨行星，并測定這些行星的大小、半長軸，通過反射光調(diào)制振幅的測定來確定其反照率，行星的密度由開普勒探測器的分光鏡和該行星出現(xiàn)凌日現(xiàn)象時進行測定，該方法曾在測定HD209458b行星密度時使用過。

五、使用互補技術(shù)，測量每個光度角度識別發(fā)現(xiàn)的行星系統(tǒng)中額外的行星數(shù)量

使用空間干涉儀(SIM)和地面多普勒分光鏡來搜尋未出現(xiàn)凌日現(xiàn)象的超大質(zhì)量行星，進一步提供每個已探測行星系統(tǒng)的詳細資料。

六、探測具有行星系統(tǒng)的恒星的性質(zhì)特征

科學(xué)家使用地面觀測儀器探測每個恒星的光譜類型、發(fā)光度等級和金屬性，此外，還有恒星的旋轉(zhuǎn)比率、表面亮度多相性，從光度計數(shù)據(jù)直接獲得的恒星活動性。使用開普勒探測器震觀測儀(asteroseismology)等儀器測定恒星的年齡和質(zhì)量。

未來的探測任務(wù)

基于開普勒探測器的勘測分析結(jié)果，未來空間干涉儀(SIM)和"類地行星搜索者號"(TPF)探測器將進行更深入的類地行星的探索發(fā)現(xiàn)，據(jù)悉，"類地行星搜索者號"預(yù)定2011年升空。

在開普勒探測器的基礎(chǔ)上，未來的探測任務(wù)還需要具備以下勘測條件:在日后的行星搜索項目中識別確定主恒星的常用恒星特征;確定需要進行搜尋的空間體積;向空間干涉儀(SIM)提供具有陸生行星體系的勘測目標(biāo)列表。

開普勒不在環(huán)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(xù)的觀測，光度計也不會受到來自地球的漫射光線影響。這樣的軌道避免了重力攝動和在地球的軌道上固有扭矩，可以有一個更加穩(wěn)定的觀測平臺。光度計指向天鵝座和天琴座所在的領(lǐng)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(nèi)。天鵝座也不會被古柏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恒星與銀河中心的距離大致上與太陽系是相同的，并且也都靠近銀河的盤面。這是個很重要的事實，如果星系也有適居帶的位置，就如同建議的地球殊異假說。

1、太空分光計:0.95米孔徑;

2、主鏡:直徑1.4米，85%的中空結(jié)構(gòu);

3、CCD探測鏡:9500萬像素(42個2200x1024象素的電子耦合器);

4、帶通:峰值半高寬為430-890毫微米;

5、動態(tài)探測范圍:9-16個星等(magnitudestars);

6、優(yōu)質(zhì)制導(dǎo)傳感器:4個電子耦合器(CCDs)定位在科學(xué)焦點平面上;

7、科學(xué)數(shù)據(jù)存儲時間:大于60天;

8、上行X波段:7.8125bps-2kbps;

9、下行X波段:10bps-16kbps;

10、下行Ka波段:最大值為4.33125Mbps;

11、除一次性裝置之外，所有機械裝置表面都有覆蓋層，主鏡有三個聚焦裝置;

12、飛行組件和裝配儀器的質(zhì)量:1071公斤(預(yù)計最大值);

13、飛行組件和裝配儀器的功率:771瓦(預(yù)計最大值)

開普勒太空望遠鏡(KEPLER)又譯為開普勒空間望遠鏡，是世界首個用于探測太陽系外類地行星的飛行器，于美國東部時間2009年3月6日22時49分57秒465毫秒(北京時間7日11時49分57秒465毫秒)，從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地17-B發(fā)射臺發(fā)射升空，它將是美國宇航局發(fā)射的首顆探測類地行星的探測器。在為期至少3年半的任務(wù)期內(nèi)，"開普勒"太空望遠鏡將對天鵝座和天琴座中大約10萬個恒星系統(tǒng)展開觀測，以尋找類地行星和生命存在的跡象。美國航天局公布的資料顯示，"開普勒"太空望遠鏡攜帶的光度計裝備有直徑為95厘米的透鏡，它將通過觀測行星的"凌日"現(xiàn)象搜尋太陽系外類地行星。

這次發(fā)射是"德爾塔"系列運載火箭第339次發(fā)射。

原理由兩個凸透鏡構(gòu)成。由于兩者之間如圖左側(cè)為實像，可方便的安裝分劃板，并且各種性能優(yōu)良，所以目前軍用望遠鏡，小型天文望遠鏡等專業(yè)級的望遠鏡都采用此種結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)成像是倒立的，所以要在中間增加正像系統(tǒng)。

正像系統(tǒng)分為兩類:棱鏡正像系統(tǒng)和透鏡正像系統(tǒng)。我們常見的前寬后窄的典型雙筒望遠鏡既采用了雙直角棱鏡正像系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是在正像的同時將光軸兩次折疊，從而大大減小了望遠鏡的體積和重量。透鏡正像系統(tǒng)采用一組復(fù)雜的透鏡來將像倒轉(zhuǎn)，成本較高，但俄羅斯20×50三節(jié)伸縮古典型單筒望遠鏡即采用設(shè)計精良的透鏡正像系統(tǒng)。

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