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恒星 如何尋找另一個地球( 二 )


自從1999年發現第一顆凌星系外行星以來，開普勒太空望遠鏡和凌星系外行星巡天衛星（TESS）又發現了數千顆行星，而且這個數字還在繼續增長。其中大多數都不同于我們太陽系中的任何天體。有些巨大如木星，軌道離宿主恒星非常近，使得水星的陽面很寒冷。另一些是像海王星或天王星但小得多的氣體行星，或者是像地球一樣但大得多的巖石行星。
通過對大量結果的統計分析，天文學家推斷，銀河系一定是數十億顆像地球一樣的巖石行星的家園，這些行星在其宿主恒星的宜居區內繞軌道運行。參加“開普勒任務”的科學家最近發表了一項研究，他們估計，銀河系中至少有7%甚至一半的類日恒星擁有潛在的宜居世界。因此我們相信，有了足夠靈敏的儀器后，我們應該能夠探測到其他地球。
不過要做到這一點，天文學家必須測量行星的質量、大小和軌道周期，這意味著要測量它的多普勒擺動和凌星情況。開普勒和TESS提供的大量數據（有許多數據尚待分析）包括了凌星角度。現在，我們和其他天文學家需要對多普勒擺動進行更高精度的測量。
NEID是尋找地球2.0競賽的參賽者，它同時具備更高的穩定性和更好的校準水平，能夠提高多普勒測速的精度。我們的設計以歐洲天文學家在21世紀所做的工作為基礎，他們建造了“高精度徑向速度行星搜索器”（HARPS），它能很好地控制溫度、振動和壓力，從而在不犧牲精度的情況下，如實地跟蹤恒星光多年來發生的細微的多普勒頻移。
2010年，我們和該領域的其他專家齊聚賓州州立大學，一起交流意見和討論對未來的期望。自2002年以來，HARPS一直在創造轟動世界的發現；美國的工作似乎有點落后。美國國家科學院最新的一份十年期評估報告則建議實施一項“激進的計劃”以重新奪回領先地位。
參加研討會的天文學家起草了一封寫給美國國家航空航天局和美國國家科學院的信，敦促他們調試一臺新的光譜儀，將其安裝在亞利桑那州基特峰國家天文臺3.5米口徑的WIYN望遠鏡上。（“WIYN”是4家創始機構名稱的縮寫。）NEID則由一個國際財團在賓州州立大學建造。
恒星 如何尋找另一個地球
文章插圖
就像之前的HARPS一樣，為了在長期觀測中實現前所未有的穩定性，NEID結合了新技術與新方法。儀器中的任何微小變化都可能導致分散的星光在探測器上發生蠕變，這些變化包括溫和壓力的變化、星光照亮光學元件的方式變化，以及儀器的鋁結構在老化過程中幾乎無法察覺的膨脹。這可能無法與多普勒頻移區分，并且會破壞我們的觀測。我們要測量的擺動僅僅表現為傳感器上飛米級的頻移，與組成探測器的原子的大小相差無幾，所以必須讓所有環節保持超高的穩定性。
首先要對和汽車一樣大的儀器進行精密的熱控制。我們需要使用一個帶有精確熱反饋系統的真空室，還要設計特殊的電子器件，防止出現可變加熱，而我們常用的傳感器就會發生可變加熱。
不過，我們無法建立一種完全穩定的工具，所以要依靠校準來完成剩下的工作。以前的儀器使用的是含有釷或鈾的專用燈，這種燈能發出數百種具有不同波長的光，可用于校準光譜探測器，但是這些燈會隨著使用年限的增長而變化。
NEID依靠的是激光頻率梳，這是一種獲得過諾貝爾獎的技術，它能產生數百束均勻分布、達到頻率峰值的激光。激光頻率梳的精度高于千萬億分之幾，僅受最佳原子鐘的限制。使用激光頻率梳定期校準儀器，我們可以解決任何剩余的不穩定性問題。
在太空中的某個地方，另一個地球正在繞著它的恒星運轉，而恒星則圍繞著它們共同的重心緩慢地擺動。在1年左右的時間里，恒星的光譜會稍微向紅色移動，然后再向藍色移動。星光到達基特峰時，望遠鏡會將其聚焦在一根玻璃光纖的尖端，通過導管將光線引到天文臺的內部，使其進入一個專門用于容納NEID儀器的房間。
每次觀測時，焦點必須以完全相同的方式照射光纖；任何變化都可能導致探測器的照明圖案發生微小變化，就像恒星多普勒頻移一樣。有著25年歷史的WIYN望遠鏡并不是為這類工作而設計的，因此為了確保一致性，我們在威斯康星大學麥迪遜分校的同事們建立了一個界面，它可以每秒監視星像的焦點和位置多達數百次，并且可以進行快速調整以保持焦點穩定。
地下的隔熱房間內有一個強大的加熱和冷卻系統，它能夠使真空室保持在20℃的恒溫。NEID光譜儀組件所處的真空室內的壓力不到標準大氣壓的百萬分之一，泵和“吸氣器”的結合（包括2公升的低溫木炭，散逸的氣體分子可附著在上面）可以防止壓力發生微小變化。

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