德國著名科學家普朗克

              ~:~認識人類探索『宇宙』是如何起源和演變~:~

為了給國際天文年增添喜氣，歐洲空間局2009年5月從法屬圭亞那庫魯發射場發射歐洲空間局的“普朗克”和“赫歇爾”兩顆天文衛星。其中，“普朗克”衛星將在最高解析度上觀測遠紅外光譜，考察137億年前宇宙大爆炸後瞬間充滿宇宙的輻射殘餘——宇宙微波背景輻射，回答人類最關心的問題：宇宙是如何起源和演變的。

“普朗克”衛星的主體結構呈圓柱形，高4.2米，最大直徑4.2米，發射品質約1.9噸，包括服務艙和有效載荷艙。

在“普朗克”衛星之前，人類發射過考察宇宙微波背景的航天器。“宇宙背景探測器”於1989年11月18日發射，它確定了宇宙微波背景呈現的各向異性，該衛星拍到的全天域宇宙微波背景輻射圖是一張宇宙只有38萬歲時的“嬰兒照片”，忠實再現了那時候太空最為古老的輻射現象，把人類與宇宙的早期直接聯繫了起來。不過遺憾的是，“宇宙背景探測器”缺乏足夠的解析度去回答一些重要問題，無法提供給宇宙學家一些失落的細節。2001年6月30日發射的“威爾金森微波各向異性探測器”對宇宙微波背景進行了更詳細的測量，但其解析度仍然不夠高，沒有解答人們心頭所有的疑問，需要科學家對宇宙微波背景輻射做進一步精細測量和精確研究。

根據現代宇宙學中最有影響的“大爆炸”學說，我們的宇宙是大約137億年前由一個非常小的點爆炸產生的，目前宇宙仍在膨脹，這一學說已得到大量天文觀測的證實，然而它並沒有解決宇宙的形狀、結構和未來等問題。2004年5月，美國《物理評論通訊》發表了蒙大拿州立大學天體物理學家尼爾·科尼什教授的一項新的研究工作，就是利用宇宙微波背景輻射的資料尋找能表明宇宙像球狀鏡室的證據。他認為，宇宙中同一個物體的多個圖像可以在與時空中不同的地方呈現出來。鏡室效應可能意味著宇宙本來是有限的，但卻產生宇宙是無限的感覺。科尼什說：“沒有跡象表明宇宙是有限的，但是也沒有證明它是無限的。”

看來，要想揭開宇宙的起源和演變之謎，就必須深入研究分析隱藏在它早期發出的微波輻射中的線索，科學家們急切盼望著能獲得更清晰的天體背景輻射圖像，以便證實“暴漲宇宙”學說有關背景輻射中光子偏振的預言，更好地分析判斷早期宇宙的屬性，諸如質子和電子的密度，以及物質和輻射之間的能量分配問題，消除有關對宇宙演化理論的分歧。這一切都有待於新一代宇宙微波背景輻射探測衛星“普朗克”的發射升空。

“普朗克”衛星計畫最早起源於歐洲空間局在1994年提議的兩個研究專案，原來分別叫“宇宙背景輻射各向異性衛星”和“背景各向異性測量衛星”。由於它們的目標相似，在1996年被合併為一個探測任務，並以德國著名科學家普朗克的名字命名。

“普朗克”衛星的主體結構呈圓柱形，高4.2米，最大直徑4.2米，發射品質約1.9噸，包括服務艙和有效載荷艙。服務艙裝有電源、姿態控制、資料處理和通信等系統，以及對溫度要求不高的科學儀器；有效載荷艙包括望遠鏡、光學操作臺、一部分需要冷卻的儀器及冷卻系統。

“普朗克”衛星將搜尋整個太空，研究宇宙物質，以前所未有的精度測量宇宙微波背景輻射溫度的細微變化，因為溫度的差異揭示了早期宇宙不同地區密度的差異，高密度區域最終會形成我們今天所看到的星系或星系群等宇宙大尺度結構，幫助天文學家發展和驗證現有的宇宙學理論。為了完成這一任務，“普朗克”衛星攜帶了1.5米口徑的望遠鏡，望遠鏡能利用安放在艙內名為“低頻儀器”和“高頻儀器”的高靈敏感測器收集宇宙微波背景輻射，瞬息敏感度比“宇宙背景探測器”高10多倍。

為了能準確測量微波背景輻射的溫度，“普朗克”衛星上的探測器必須冷卻到接近絕對零度。由法國天體物理研究所研製的低頻儀器在－253℃下工作；而由義大利地外輻射技術研究所研製的高頻儀器在－272.9℃下運行。要想保證儀器處於如此低的溫度，技術人員採用了複雜的冷卻系統。衛星表面安裝了一個黑色遮擋板，它實際上就是一個有效的散熱器，能把探測器冷卻到60K；接著一台氫吸附冷卻器能將探測器冷卻到20K；然後探測器被一台機械冷卻器冷卻到4K；最後通過混合正常氦與稀有氦同位素將探測器冷卻到約100mK。

“普朗克”衛星具有更高的角解析度，比“宇宙背景探測器”高了50多倍，該衛星可繪製宇宙微波背景圖，角解析度在10弧分以上，能確定宇宙的空間曲率，並能分辨某處天區中百萬分之一度的溫度差異，而且繪製的宇宙微波背景圖能夠自動將來自銀河系和銀河外星系的光譜輻射從宇宙背景信號中去除。

“普朗克”衛星由阿裏安-5火箭發射後不久將與火箭分離，在發射4個月～5個月之後，衛星將進行一次機動，直接到達日地系統的L2，進入圍繞L2的利薩如軌道。衛星的軌道週期大約6個月，設計壽命為2年。L2實際是太空中的一個虛點，距離地球大約1.5×106km。衛星處於L2的環境中時，能夠與地球保持穩定的無線電通信，並能保證觀測時間的不見斷，因此L2成為國際天文觀測計畫選定的最佳位置。

位於達姆施塔特的歐洲空間操作中心將通過澳大利亞附近的新諾斯地面站與衛星進行通信。運行在圍繞L2軌道上的衛星每天有3小時的時間能與地面取得聯繫，這時前一天記錄下來的科學資料被發回地面，同時下一個自主控制期的指令被傳到衛星上。

         普朗克衛星的任務              

        

         宇宙的微波背景光譜輻射

首顆尋找“類地行星”望遠鏡開普勒號已發射升空~~ 2009年3月6日，美國首顆用於搜尋類地行星的空間望遠鏡開普勒號在卡納維拉爾角發射升空。至 此，在地球之外尋找外星生命的天文學家將有新工具來實現他們的目標。耗資將近6億美元的開普勒望遠鏡將在四年左右的時間內，在銀河系的天鵝座與天琴座區域觀測類似於太陽的大約10萬顆恒星系統，以尋找類地行星和生命存在的跡象。

從1995年起到2009年2月，人類總共發現了342顆太陽系外行星或行星系統。儘管目前還沒有在太陽系以外發現另一個地球，但是卻發現了一些品質只比地球大幾倍的太陽系外行星。科學家將它們稱為“超級地球”。但是即便如此，天文學家也認為這些超級地球未必就比地球更適合生命的存在，除非它們到所圍繞的恒星的距離恰到好處。

品質越大的行星就越容易被發現。這些行星本身的運動會造成其宿主恒星圍繞它們公共質心轉動，而這一運動的速度越大在恒星光譜中造成的譜線移動也就越厲害。通過觀測恒星視向速度中的這一多普勒效應，就能反推出行星的存在。

當行星運動到恒星和我們視線之間的時候（淩星），個頭越大的恒星造成的恒星亮度降低也就越嚴重。當一顆木星大小的行星從一顆類太陽恒星前方經過的時候，大約會遮擋恒星表面的1/100。這會造成恒星的亮度在幾個小時內下降1/100，由此天文學家們可以在地面上觀測到這一變化。隨著多普勒效應測量精度越來越高，天文學家現在已經可以測量出3.6千米/秒的速度所引起的頻移。這足以來探測品質僅有地球幾倍的行星。而它們淩星時所造成的恒星亮度降低很難從地面上觀測到，除非宿主恒星本身就很小。

儘管使用視向速度測量方法發現的太陽系外行星數量是用其他方法總和的4倍，但是這一方法只能提供行星品質的最小值，還無法告訴我們行星的直徑和組成。而這恰恰是瞭解行星特性的關鍵，由此淩星探測方法的重要性就彰顯出來了。受制於地球的大氣，地面上的淩星觀測精度始終有限，而且觀測也受到時間的影響。因此最佳的行星淩星觀測無疑必須進入太空。

2006年12月，歐洲空間局“科羅”外星行星探測器發射升空，它可以探測到比地面觀測極限還要小得多的太陽系外行星淩星事件。“科羅”可以在5個月的時間裏不間斷地同時監測12,000顆恒星的亮度變化。目前“科羅”已經可能探測到了一顆直徑為地球1.7倍（品質大約為地球的6倍）的類地行星，還有其他的一些巨行星。

太陽系外行星淩星發生的概率取決於恒星直徑和行星軌道半徑之比。因此，行星越靠近恒星越好。對於距離一顆類太陽恒星一個天文單位的行星來說，其發生可見淩星的概率只有1/210。即便是類地行星發生淩星，它每年只能使得恒星的亮度下降一次，且下降的幅度只有1/10,000，持續的時間也只有幾個小時。

為了確認這些淩星事件，就必須看到它們以一定的時間間隔週期性地發生。因此“科羅”為期5個月的不間斷觀測時間使得它只能用來探測比水星到太陽距離還要近的行星。但是那些位於宜居帶中的太陽系外行星通常到宿主恒星的距離要遠得多。因此發現這些真正讓人感興趣的行星就需要連續不斷地監測恒星亮度達數年之久。

“開普勒”空間望遠鏡就是為此應運而生的。“開普勒”將花3年半的時間來不間斷地觀測位於天鵝座和天琴座中的100,000顆恒星。它會在遠離地球的軌道上圍繞太陽轉動，以避免地球對它觀測的干擾。而與之形成對比的是，“科羅”是一顆圍繞地球轉動的衛星。由於會受到地球的阻擋以及陽光的干擾，最長連續觀測時間只有5個月。“開普勒”犞本?.4米的主鏡所能收集到的光線是“科羅”的2.5倍，對於亮度為12等的恒星其測量的精度可以達到1/50,000（0.00002等）。這使得它可以看到大小只有地球一半、和火星差不多大的行星。

“開普勒”上的光度計可以覆蓋105平方度的天空，這相當於伸出手臂兩個手掌所能覆蓋的天區。在這麼大的範圍裏從M型矮星到A型和B型這樣的高溫大品質恒星應有盡有。天文學家已經花了數年的時間來觀測和分類“開普勒”視場中的300萬顆恒星，以便挑選出最佳的觀測物件。

如果能獲得3年半的觀測資料，科學家們預期會找到50個~640個週期為1年的候選太陽系外行星。而12%的恒星至少會擁有兩顆行星。同時“開普勒”還可能會發現數百次的短週期淩星事件，以及幾十個距離宿主恒星1個天文單位的巨行星。上述的這些預計都是在假設了所有目標恒星都擁有地球大小的行星所做出的。事實可能並非如此。但是即便“開普勒”什麼也沒有探測到（儘管可能性不大），這一結果也具有重要的科學和哲學意義。根據“開普勒”觀測到的太陽系外行星的數量，天文學家們可以可靠地外推出銀河系乃至宇宙中特定類型的恒星所具有的行星數量。

“開普勒”可能會成為美國航宇局未來“類地行星搜索者”探測器的開路先鋒，計畫于2013年發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將會在紅外波段研究行星的形成，並且可能會直接探測到年輕的太陽系外類木行星所發出的熱輻射。除此之外，“開普勒”還會為地面上的視向速度觀測提供大量的候選目標。