美國宇航局的系外行星探測望遠鏡一直以來都有一種鮮為人知的恆星物理學方面的天賦。現在,由於開普勒號航天器上的反作用輪發生故障,其主要任務受到了影響,一些科學家希望將其重新聚焦於一項前所未有的研究,即研究我們星系中最巨大的恆星,這些恆星的內部運作是所有恆星類別中最不為人所知的。
自發射以來的四年裡,開普勒號已經發現了3000多個系外行星候選者,使已知太陽系以外的世界數量成倍增加。但在2012年7月,其四個穩定反作用輪之一發生故障,然後在2013年5月,第二個也停止工作,使航天器失去了精確地指向天空中的單個點的能力。
反作用輪的損失實際上結束了開普勒號發現更多低質量行星的機會,特別是地球類似物這一最終目標。但美國宇航局幾乎沒有放棄希望,認為該望遠鏡仍然可以做出偉大的事情,並在8月2日,該機構呼籲徵集關於如何在兩輪狀態下使用開普勒號的想法。在數十項提案中,有計劃使用該望遠鏡探測近地小行星,尋找木星大小的系外行星,並監測海王星。一些恆星物理學家表示,開普勒號命運的改變使該望遠鏡處於理想的位置,可以增加人們對大型恆星如何演化的瞭解。
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當開普勒號正常執行時,它無法觀測某些被稱為OB星的熱而巨大的恆星,因為它們極亮的光線會淹沒行星相對微弱的訊號。然而,它確實擅長使用一種稱為星震學的方法研究較小的恆星。類似於透過研究地震來探測地球的內部動力學,星震學監測星震,星震表現為恆星亮度的閃爍,以尋找其內部結構的線索。在其主要任務期間,開普勒號可以輕鬆地做到這一點,因為它已經密切監測恆星亮度隨時間的變化,以尋找由行星從地球的角度在恆星前方經過引起的週期性變暗。
現在,有點不穩定的開普勒號無法足夠精確地指向以研究低質量恆星的閃爍。然而,比利時魯汶大學天文研究所所長康妮·艾爾茨說,較大恆星的振盪應該會產生更強的訊號,這些訊號仍然在開普勒號的探測能力範圍內,她是該提案的主要作者。此外,此類研究無法從地面很好地完成,因為它們需要長時間連續觀察相同的恆星,以便發現週期為數小時或數天的振盪,並且地面望遠鏡每次太陽昇起時都必須停止觀測。“我們需要不太好的精度,但更長的時間尺度,這就是擁有兩個反作用輪的開普勒號可以帶來的,”艾爾茨說。
開普勒星震: 天文學家希望利用開普勒太空望遠鏡觀測巨大恆星光線中的閃爍,以瞭解其內部動力學。這裡顯示的是歐洲 CoRoT(對流、自轉和行星凌星)衛星觀測到的三顆巨大恆星的光變曲線。雖然 Blomme 等人在 2011 年收集的這些資料不足以進行長期地震建模,但研究人員的目標是利用開普勒號連續六個月收集地震資料。
圖片來源:Conny Aerts 和 Jonas Debosscher,比利時魯汶大學
艾爾茨說,對熱而巨大的恆星進行的星震學研究非常少,但它們是最需要闡明的恆星之一。目前的恆星物理模型在OB星方面尤其缺乏,科學家們希望瞭解這些“生命短暫,死亡迅速”的恆星是如何運作的。這些恆星的質量是太陽質量的數百倍,它們以最快的速度耗盡其核燃料儲備,並透過壯觀的超新星爆發而死亡,超新星爆發將宇宙中大部分比碳重的元素(所謂的金屬)播撒到宇宙中。“這些恆星是宇宙的金屬工廠,就宇宙的化學演化而言,它們是最重要的需要理解的恆星,”艾爾茨說。“理論模型對於這類恆星來說是最不充分的。”
艾爾茨和她的同事建議開普勒號應該瞄準一個名為 NGC 2244 的疏散星團,該星團中充滿了這類恆星,可能是該方法的一個強有力的測試案例。這樣一項研究將需要開普勒號連續六個月的全神貫注,以觀察恆星振盪週期如何隨時間變化。不過,也可以使用收集到的資料進行其他科學研究,因為開普勒號的廣闊視野將不僅僅包含星團。
“我相信提議的研究專案將是一個有用的專案,”賓夕法尼亞州立大學的天文學家羅納德·吉利蘭說,他過去曾使用開普勒資料進行星震學研究。“如果可以進行,按照白皮書中的精度水平獲得六個月的覆蓋率,即 0.01% 到 0.05%,那麼很可能會從中產生非常有用的和獨特的科學成果。” 但他說,現在判斷開普勒號的新模式將有多精確還為時過早,而且他對即使是巨星星震學是否可行也表示懷疑。“我們仍然不知道關於航天器實際能力的一些非常基本的事情。正在進行的測試應該會在幾個月內提供更好的見解。” 最終,他不太樂觀。“我個人不太抱希望開普勒號能在其新的雙輪配置中找到重要的工作要做。”
即使該望遠鏡繼續努力進行恆星物理學研究,許多開普勒號科學家也不願意放棄該天文臺最初存在的理由,並希望該天文臺能夠以改進的方式繼續研究行星。麻省理工學院的行星獵手和開普勒科學團隊成員薩拉·西格說,關於星震學提案,“提案者提出了一個有用的案例。[但是] 我很難對非系外行星天文學保持客觀。” 她補充說,將開普勒號改造成它最初並非為此設計的用途可能會帶來額外的困難,例如需要設計一個全新的基礎設施,將原始資料轉換為可用的科學資訊。“一個擔憂是,新專案必須開發什麼樣的管道?如果另一個輪子在開發過程中或剛剛開發後發生故障怎麼辦?還需要考慮這些風險和成本。”
最終,可能沒有任何一項新提案勝出。開普勒團隊必須證明,使用雙輪儀器可能實現的科學研究足夠有價值,才能在不斷縮減的美國宇航局預算中分得一杯羹。如果沒有任何一項提案達到如此高的標準,開普勒號的資金可能會分配給其他功能齊全的任務。“我們必須問,每美元的科學價值有多大,”西格說。“太空望遠鏡的執行成本非常高,每年[至少]達到 1000 萬美元。所以問題是:這項科學研究值得付出這個代價嗎?” 開普勒團隊計劃在今年晚些時候向美國宇航局提交最佳提案以供審查。那些被認為值得進一步研究的提案將在明年由一個外部委員會進行審查,最終決定預計在明年夏天做出。