小火箭 | 外太空宜居星球搜寻的当下与未来
微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共14852字，113图。预计阅读时间：1小时30分钟。
公元2018年10月30日，美国宇航局NASA宣布，预计工作寿命为3.5年的开普勒望远镜因燃料耗尽，在超期服役直至工作9年7个月零23天后，彻底退役，停止了她的所有在轨科学探索活动。
从此，开普勒望远镜在发现了2662颗系外行星之后，带着满满的收获和无尽的好奇心，温和地走入了那个良夜。
本文，小火箭要和大家共同探讨如下几个问题：
开普勒望远镜是怎样的一种设计？整个项目是如何启动的？
千百年来，人类对外星人和系外星球的好奇心，永无休止，而开普勒望远镜是依靠怎样的方法来寻找系外行星的？
为什么要寻找系外行星？
给出小火箭技术分类体系；
目前人类对系外行星，尤其是宜居行星的掌握程度；
未来会怎样？
设计
开普勒望远镜是人类首个专门设计用来在茫茫宇宙搜寻类地系外行星的空间探测器。
上图左侧为开普勒望远镜的太阳能电池阵列+防护罩的背面。右侧则是没有遮阳板保护的较为难得一见的望远镜光度计核心部件。
开普勒望远镜质量为1.0524吨，长4.7米，最大直径2.7米。
该望远镜是由鲍尔航天集团作为主承包商研制的，在2008年具备交付状态。
鲍尔航天集团，是全球第88大军火集团。美国陆军的单兵50瓦和单兵100瓦战术电源系统就是该集团研制的。
F-35战斗机的共形天线，也是鲍尔航天的产品。通过多轮激烈角逐，鲍尔凭借出色的产品性能打入了F-35分系统承包商的行列。
注：
共形天线，又称共形阵列天线，是指附着于载体表面且与载体紧密贴合的阵列天线，在装备上进行使用的时候，需要将阵列天线共形安装在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线阵。在现代无线通信系统中，共形阵天线由于能够与飞机、导弹甚至是卫星等高速运行的载体平台表面相共形，且并不破坏载体的外形结构或空气动力学等特性，成为天线领域的一个研究热点。
贝尔公司大名鼎鼎的OH-58D奇奥瓦武装侦察直升机的观测/瞄准系统，也是出自鲍尔航天之手。
而屡屡用超高清的对地观测照片引起我们对现代太空技术的赞叹的数字地球公司，实际上是由鲍尔航天、柯达（嗯，就是那个在我们童年时代成为相机和相纸代名词的柯达）还有福克空间这3大集团强强联合诞生的高科技企业。
由鲍尔航天这样的专注于军用天线、军用瞄准系统和超高分辨率对地观测系统研发的军火巨头来牵头研制寻找系外行星的太空探测器，大家还是比较放心的。
立项
不过，整个开普勒项目的立项过程还是很曲折的。
这一切，小火箭觉得需要从博鲁茨基这位工程师开始谈起。
在小火箭的公号报告《小火箭聊导弹飞船与高超声速飞行器的热防护》中，咱们一起探讨了热防护技术。
而博鲁茨基就是在阿波罗时代研究飞船防热系统的工程师。
阿波罗计划完成，留下一代传奇。
迄今为止，人类留在月球上的物品足足有170吨之多，
而人类从月球取回的月壤和月球岩石则有382公斤。
这是人类在奔月途中拍摄的地球照片。
此时，阿波罗17号飞船已经发射了5小时6分钟。
她结束了环绕地球的飞行，开始进入奔月轨道。在变轨调姿1小时48分钟后，该飞船距离地球2.9万公里。
也就是说，这张照片是阿波罗17号的宇航员在公元1972年12月7日协调世界时10点39分在距离地球2.9万公里的奔月轨道上拍摄的。
这条轨道也是人类迄今为止最后的一条载人奔月轨道。
不过，实际上，上上图是做过调整之后的样子。上图才是宇航员用哈苏相机拍的原图。从他们的角度来看，地球是倒着的。
小火箭在这张照片中体会到了地球的美。接近冬至了，南极洲被整个儿地笼罩在明亮的阳光中。
南半球气势磅礴的西风带裹挟着温润的温带气旋伴着刚刚席卷了印度的热带气旋翩翩起舞。
而地中海的明媚一直到了非洲的好望角也未曾有丝毫褪色。
这张照片如今成为了地球上一家叫做腾讯的企业的一款名为微信的应用程序的登陆画面。在呼唤着人类早日重返月球。
博鲁茨基在阿波罗计划中，表现出色，获得了阿波罗任务成就奖。
随后，在1970年，已经31岁的博鲁茨基并未像大多数工程师那样，凭借年轻时代参与大工程的经历而去混资历，转行政，而是一头扎入了他热爱的行星探索事业。
对月球的分析，在满足了很多人的好奇心的同时，也激发了那一代工程师对太阳系内的其他自然天体了解的欲望。
上图左侧为金星，右侧为地球。
博鲁茨基醉心于研究行星上的闪电和表面纹路。无论是金星上的还是木星上的，他都非常痴迷。
到1987年，博鲁茨基已经48岁了。按理说，应该是着手准备为退休生活培养一些爱好，去办理钓鱼协会或者房车协会的会员卡的时候了，但是，他突然在他的办公室冒出这样一句话：
“我们对太阳系外面的行星，简直是一无所知！”
这下子可不得了。他的一席话，引起了同事间的大范围讨论。
讨论的话题集中在两个方面：
第一，到底有没有大量的系外行星？或者说，类似太阳系的这种一组行星小兄弟围绕一颗恒星转动的系统，在宇宙中是否是常见的？
第二，就算系外行星是存在的，甚至是大量存在的，那么靠什么方法来发现呢？
博鲁茨基没有和大家多说，直接就提出了解决方案。
他把这个方案的意向报给了美国宇航局NASA的预研部门。
方案还是比较有趣的（详见小火箭好友提供的博鲁茨基老爷子当年提的原始方案）：
用一个太空探测器，凝视数千颗恒星。如果其中有的恒星有她自己的行星系统的话，行星绕到恒星前面（类似金星凌日）的时候，恒星的一部分光就会被挡住，这样恒星的亮度就会出现周期性地变暗。
美国宇航局NASA一开始还是感兴趣的。
于是，博鲁茨基得以有机会陈述他的技术基础：
他早些年研究过行星的闪电，拥有用光度计来判断星球情况的工程经验。
但是，很多同行还是不能理解他的方案，并且认为，就算理论上可以，工程上也不可行。
博鲁茨基老爷子急了，说道：
“我早在1967年就已经有闪电和光度计的相关工程经验了，是可行的！”
在众人表示有些懵的时候，老爷子拿出了他的阿波罗奖章，并且讲述了往事。
在上世纪60年代，还没有超高速的高清摄影设备。
而博鲁茨基是搞阿波罗飞船的防热系统的，他迫切地想知道在高超声速飞行状态下，飞船防热大底的激波是什么样子的。
当他申请经费，要求专门为研究飞船防热系统的激波建造高超声速风洞的时候，一个明确地拒绝回应立刻就回绝了他。
原因比较简单，当时美国根本没有建设高超声速风洞的技术条件（实际上，直到今天，真正掌握这门技术的国家也只有美国和中国。）
怎么办？
博鲁茨基有办法。这也是为什么他后来被人称作炮弹工程师的原因。
博鲁茨基想到，战列舰巨大的16英寸（406mm）舰炮能够在瞬间赋予1.225吨重的炮弹762米/秒（Mach 2.2418）的速度，这巨大的出口动能能够让1吨多重的炮弹飞行38公里远。
这是当时他能够想到的除核武器之外，爆发力最强的试验设备了。
当时是上世纪60年代，距离二战结束还没有太久，有大量的二战舰只甚至还来不及拆解。
博鲁茨基通过他在海军的关系，搞到了两门巨大的舰炮。
在他精通空气动力学的好友的帮助下，其中一门舰炮加装了超声速喷嘴，当发射药被点燃，炮声响起的时候，这门炮能够以15倍声速的速度瞬间抛出136公斤的空气。
另一门舰炮则紧接着开炮，这门炮并不发射空气，而是发射一枚特殊的炮弹。
两门炮是头对着头，炮口瞄着炮口的。
第二门炮发射的炮弹的头部，就是阿波罗飞船防热大底的气动外形。
这枚炮弹以相对于地面3倍的声速撕裂迎面而来的快速气流，这样就构建了一个阿波罗飞船模型的18倍声速空气动力学实验条件（炮弹3倍声速+迎面气流的15倍声速）。
博鲁茨基在两门大炮的炮口之间，布置了大量光度计。当阿波罗飞船模型快速飞过的时候，伴随着巨响，会有一系列斜激波出现。这些斜激波会改变当地空气的密度，从而使得其透光率发生变化。
博鲁茨基就是这样，依靠光度计的测量数值，间接地了解了高超声速飞行的斜激波的情况。
遭拒
博鲁茨基的光度计的方法，用于探测系外行星，理论上是可行的。
当行星转到恒星前面时，恒星的一部分光线就会被挡住。光度计就能够测到一个光度变弱并再次恢复常值的现象。
1992年，博鲁茨基带领团队，兴冲冲地正式向NASA提出了项目申请，想要用这种方法来搜寻系外行星。
然后，等来的就是第一次的被拒绝。
原因比较直接：NASA太缺钱了，为了保证哈勃太空望远镜的项目能够存活下来，其他所有太空望远镜的项目都被取消了。
上图为自1958年美国宇航局 NASA 成立以来，每个财年的预算与美国联邦总预算的占比情况。
可以看到，在1962年，NASA的预算占联邦预算的比例首次超过1%以后的十年间，NASA经历了一个发展的黄金时期。
但是，再往后，NASA的经费比起他们数量巨大而又大多雄心勃勃的项目来说，就显得过于捉襟见肘了。
有趣的是，NASA预算的历史变化曲线与美国军费预算的变化曲线非常类似，只不过是向后平移了20年：
不过，说起来，奔向太空的NASA的预算比起努力称霸全球的军费预算来说，还是太少了。
2019财年，NASA的总预算为199亿美元，而美国军费预算为7160亿美元。军费预算是NASA总预算的 36 倍！
如果把NASA预算、军费预算、全民医保预算和美国社会保障预算按照相同的比例，一起放在一张图表里的话，NASA预算也就成了紧贴X轴的一根小直线了。
由此可见，相较于军费开支来说，美国宇航局NASA一直以来就不算富裕。
1990年4月24日，哈勃太空望远镜搭乘发现号航天飞机进入太空。但是随即就发现，镜片出了点状况。
在1992年，正是航天飞机项目和哈勃太空望远镜在轨维修项目的关键一年，博鲁茨基团队表示理解，愿意为哈勃望远镜让路。
再拒
后来，哈勃太空望远镜的光学系统得到了非常成功的纠正和升级。上图左侧为哈勃望远镜在1993年11月27日拍摄的M100螺旋星系的情况。右侧为哈勃望远镜在接受了在轨维修之后，在1993年12月31日拍摄的同一个星系的情况。
可见，哈勃望远镜已经能够以较为良好的状态工作了。
再后来，哈勃望远镜的状态越来越好。
不过，哈勃望远镜是可见光望远镜，擅长直接对恒星发出的光进行观测，而且其凝视观测的范围较小，对于本身不发光的系外行星和同时搜索大范围天区的任务并不擅长。
1994年，自上次被拒后，苦等了2年的博鲁茨基认为，机会来了。
他第二次向美国宇航局提交了申请。
博鲁茨基给项目命名：FRESIP。
这是“和地球大小相仿的星系内环行星概率探测”的缩写。
然后，就是第二次遭拒。
事后，大家分析原因，一致认为是这个名称太难记了，评审委员会的那些家伙们可能连名字都想不起来，根本没法提议来赞成。
当然，很多人认为博鲁茨基的想法过于科幻，也是部分原因。
三拒
名字，一定要有个好名字，这是博鲁茨基团队第二次被拒之后总结出来的经验。
于是，他们花了很大力气，请到了炙手可热的科学家、科普大师、科幻作家卡尔·萨根来给项目起名字。
作为行星联合会的创始人的卡尔·萨根对博鲁茨基团队非常支持。他一方面游说美国宇航局拿出一些经费来支持行星探测，另一方面，开始冥思苦想，为项目起个好名字，以便替代那个没人能记住的FRESIP项目。
卡尔·萨根想到了开普勒这个名字。
生于1571年的约翰尼斯·开普勒是皇家数学家，同时也是华伦斯坦将军的首席顾问。开普勒基于对天体运行的观测和分析，得出了行星运动三大定律。
开普勒第一定律，也称椭圆定律、轨道定律：每一个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。
开普勒第二定律，也称等面积定律：在相等时间内，太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。
开普勒第三定律，也称周期定律：各个行星绕太阳公转周期的平方和它们的椭圆轨道的半长轴的立方成正比。由这一定律不难导出：行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比。这是艾萨克·牛顿的万有引力定律的一个重要基础。
在开普勒的墓志铭上，铭刻着这样的句子：
原文：
Mensus eram coelos, nunc terrae metior umbras
Mens coelestis erat, corporis umbra iacet.
小火箭译文：
曾去量天高，
今来测地深。
吾魂归上苍，
吾体眠此地。
开普勒对天体物理学和数学有着巨大的贡献，同时他改进的天文望远镜也是与伽利略的那把望远镜可以相提并论的高性能天文观测工具。
好名字！
从此，博鲁茨基的项目得名：开普勒。
这个名字，一方面预示了项目是和行星探测有关，一方面则是纪念开普勒对行星运行理论和望远镜制造技术的贡献。
基本上可以断定，开普勒三大定律将不仅仅在太阳系有效，还会在其他类似星系展现她的魅力（如果这样的星系真正存在的话）。
但是，在1996年年底，博鲁茨基兴冲冲地向美国宇航局报上项目的时候，又被拒了。
这一次，被拒的理由是：用于探测系外行星的CCD传感器技术并不成熟。
四拒
从1987年提出构想，到1992年第一次提交申请被拒，再到1994年第二次提交申请被拒，然后到1996年第三次提交申请被拒，转眼就到了1997年，整整十年过去了。
开普勒项目有了响亮的名称，但却还未迎来锦绣的前程。
行星联合会的创始人卡尔博士奋力向美国宇航局推荐。他有广泛的民众基础，在他巨大的影响力下，美国宇航局松口了：
如果博鲁茨基团队能够在地球上造出一个能够证明确实可以可靠工作的CCD传感器系统的话，一切都有商量的余地。
机会难得！
博鲁茨基向卡尔·萨根博士表示了衷心的感谢，然后就一头扎进了地面原理样机的研制工作中。
开普勒项目尚未得到美国宇航局的立项，因此是没有带有美国宇航局正式立项编号的经费支持的。
（小火箭考证，虽然没有官方的直接支持，但是在行星联合会的促进下，美国宇航局拿出了主任特别自由基金。共计15万美元的无任何附加条件的扶持款项，让项目得以启动。这个自由基金就是为了支持这种类型的项目而设立的。）
虽然费用有限，但是贵人开始相助。
利克天文台的台长亲自邀请博鲁茨基团队来他们这里试试。
利克天文台是世界上首个建于山顶的永久性天文台。这是遵美国超级富豪詹姆斯·利克的遗嘱在1876年开始建造的。1887年，利克天文台基本完工，利克的遗骨则被安葬在天文台口径36英寸（91厘米）的望远镜的基座下面。这台望远镜被命名为詹姆斯·利克望远镜。
1888年1月3日，利克望远镜开光，当即就成为了世界上最大的折射式望远镜。
利克天文台是由民间资本建设的，因此几乎不会受到立项与否的条条框框的限制。博鲁茨基团队在这里，得以施展本领。
1998年初，博鲁茨基团队的原理样机研制成功！
他们建造了一个系统，能够同时对6000颗恒星进行观测，同时具备初步判断该恒星是否有行星环绕的可能性。可惜的是，该系统位于地球表面，难免会受到地球大气活动的影响。
1998年，博鲁茨基团队正式向美国宇航局递交了第四次申请。
然而，还是被拒了。
原因：虽然原理样机在地面上能够勉强工作，但是在太空中如果受到各种干扰，还能不能工作可就不知道了。
坚持
1998年，开普勒项目团队到了非常艰难的时候。整个团队租住在山顶天文台旧址的小破屋里。这个带有破洞的小圆顶，见证了人类在19世纪对天文学的痴迷，如今则正在见证人类天文学家在20世纪末的窘迫境地。
山顶没有淋浴条件，整个团队要冒着被蛇咬和被美洲狮扑杀的危险，穿过密林小路去山脚的镇子上找个可以洗澡的地方。
到2000年，他们终于又证明了开普勒系统对干扰的强大抵抗能力。整个系统设计完备，在13年来，他们始终在坚持。
公元2000年1月，美国宇航局给开普勒团队发来一份邮件：
你们赢了，来宇航局领钱。
其实，美国宇航局的大大小小的部门，在这个时候，已经悄悄资助了100万美元给开普勒项目了。
这些努力坚持和悄悄支持，就像缓缓飘落的雪花，虽轻柔，但却更能有沁润灵魂的力量。
建设
6亿美元，在2002年到账。
开普勒望远镜开始动工建造。
2008年，开普勒望远镜达到交付状态，实际耗资6.92亿美元（约47.69亿元人民币）。
相较于1990年的哈勃望远镜项目的21亿美元的造价（另有后来的8亿美元的在轨维护费用），开普勒望远镜对于预算的控制是非常好的。
上图是完工后的开普勒望远镜在位于佛罗里达州泰特斯维尔的有效载荷处理中心的超洁净室中，准备进行初步测试的场景。
开普勒望远镜计划是美国宇航局正式立项的探索任务，是人类首个系外行星太空望远镜项目。她专门用于探测我们银河系内的区域，努力去探寻太阳系之外，银河系之内的可供人类居住的行星。
开普勒望远镜在接受了最后的测试之后，被封闭在一个罐子内，由卡车运走。她离开位于佛罗里达州泰特斯维尔的有效载荷处理中心，奔赴太空圣地卡纳维拉尔角的第17号发射场。
第17号发射场历史悠久，可以追溯到上世纪50年代的雷神弹道导弹的时代。
详见小火箭的公号报告《雷神导弹：跨越大西洋，瞄准莫斯科》。
1958年10月11日，美国佛罗里达州卡纳维拉尔角，一枚雷神-阿贝尔运载火箭在进行发射前的最后准备工作。
这枚火箭将成立不久的NASA的第一枚探测器先驱者1号送上了太空。（该探测器原计划用于探测地球附近和月球轨道上的电离层、宇宙射线、磁场、游离辐射和微陨星。但由于雷神-阿贝尔火箭关机时刻有点提前，探测器未能达到理论速度，这使得探测器无法接近月球。它在运行了43小时后进入地球大气层，焚毁在南太平洋上空。
雷神-阿贝尔以发射了NASA的第一枚探测器而永载航天技术发展史的史册。
就在这个发射场，开普勒望远镜也将揭开人类太空探索的新篇章。
公元2009年2月21日，工程师们将开普勒望远镜放到了德尔塔-II运载火箭的载荷舱内。
这个传奇的发射场，准备迎来新的传奇。
而对开普勒项目有所了解的人知道，从1987年博鲁茨基提出概念到此时，整整22年过去了！
博鲁茨基老爷子，已经年入古稀。不知道他当时是否回想起了自己在48岁的时候，在办公室里说出那句：人类对太阳系外的行星简直一无所知。
这个情况，因为他长达22年的坚持，将会产生根本地改变。
发射
进入了发射协调的时候，已经多次推迟发射的开普勒项目，有些等不及了。
2009年1月，美国空军主动找到了开普勒团队，告诉他们了一个好消息：
原定于2009年3月初发射的美国空军GPS导航卫星（GPS IIR-M-7 ）准备推迟到月底，让开普勒望远镜先打。
原本大伙儿是非常高兴的。当然，后来团队知道了真实原因后，就有些哭笑不得了。
原来，美国空军认为德尔塔-II型火箭7925构型的第三级，可能有一些可靠性方面的问题。
为了稳妥起见，他们让同样使用7925构型的开普勒望远镜先打，看看情况再说。
这样，开普勒项目团队才终于得到了一个比较理想的发射时机。
在2009年3月，两枚采用相同构型的德尔塔-II型7925构型运载火箭矗立在了卡纳维拉尔角空军基地的第17号发射场上。
开普勒望远镜在7925-10L火箭上，矗立在第17号发射场的第17B工位上；美国空军的新一代GPS导航卫星则在7925-9.5火箭上，矗立在第17号发射场的第17A工位上。
公元2009年3月7日，协调世界时03时49分57秒465毫秒，开普勒望远镜，从1987年到2009年，历经22年，终于从设想迎来了发射升空的时刻。
开普勒望远镜，将会为我们揭开一个终极问题的答案提供关键线索。
这个问题就是：
我们人类，在宇宙中到底是不是孤独的？
小火箭注：在2009年3月7日，开普勒望远镜搭乘德尔塔-II运载火箭成功进入太空之后，在2009年3月24日，美国空军的新一代GPS导航卫星搭乘同款德尔塔-II运载火箭也成功进入预定轨道。
观测
发射升空后，开普勒望远镜沿着一个螺旋的轨道，缓缓远离地球。
上图是开普勒望远镜自2009年3月12日到2019年12月30日的轨道动画，中间的紫色圆点为地球。（地球视角）
上图为开普勒望远镜在太阳系内的轨道示意图。图中间部位的黄色圆点为太阳（太阳视角）。
开普勒望远镜是人类第一个能够探测到太阳系以外遥远地方的类似地球大小的系外行星的任务，使用名为过渡法的技术来进行探测。这是一种光度测量技术，可测量行星在其主星前方经过时的星光的微弱变暗情况。
在她的主要任务的前四年，开普勒太空望远镜观测位于天鹅座（上图左侧）的一片星空。开普勒数据发布的新结果对于了解我们银河系中不同类型行星的轨道以及行星形成的方式具有重要意义。自2014年以来，开普勒望远镜一直在利用其延长的第二次任务来收集数据，观测我们银河系的黄道平面（上图右侧）。
开普勒望远镜的图像传感器阵列。注意其整体弯曲的构型，从光学的角度来看，非常地讲究。
上图展示了开普勒望远镜的主要观测区域，位于银河系第一道曙光的区域，在天鹅座和天琴座之间，靠近织女星。
整个观测区域覆盖整整100平方度的天球，相当于两个北斗七星并排起来的范围。
在这个区域内，有450万颗恒星能够被确认观测到。开普勒望远镜选择了其中15万颗为重点观测对象。
在持续3年半的时间里，她一直凝视着这些恒星，以便捕捉其亮度变化的情况。
上图是一个60秒的曝光图，摄于2009年4月8日，这是开普勒望远镜抛掉防尘罩后开始工作的第二天。
她表现不俗。
为了能够发现像地球这样小的行星（个头儿虽小，但确实的的确确是不可替代的），开普勒望远镜故意让画面显得有些模糊不清。这样可以最大限度地减少因少数几颗特别明亮的恒星迫使传感器饱和的情况出现。
因为一旦饱和，就会错过很多不太明亮但却拥有极佳宜居环境的恒星系统。
42块电荷耦合器件CCD传感器拼接后，形成了拥有9500万像素的开普勒望远镜的眼睛。
通常来说，人类眼睛中有650万个视锥细胞，1.2亿个视杆细胞。因此，开普勒望远镜从这个角度上来看，已经比较接近人眼了。
上图是开普勒望远镜的视场。四个角是黑色的，这四块区域并不用来感受遥远恒星的光度变化，而是用来测量恒星的位置并与开普勒望远镜姿态控制系统内的星图进行比对。
每100毫秒，这样的比对工作就进行一次，以此来确保开普勒望远镜在太空中不会迷失方向，能够稳稳地凝视指定的星空区域。
成果
在开普勒望远镜之前，人类只能猜测有系外行星的存在。
而在今天，借助开普勒望远镜的观测结果，人类已经确定：
在我们的银河系内，在我们身处的太阳系外，有2662颗系外行星存在。
这是对530506颗恒星进行多年的观测所取得的成果。
这些系外行星，有的和地球的大小差不多，有的体积是地球的10倍，而有的则是比我们的木星还要巨大的巨行星。
命名
发现了那么多系外行星，那么怎样命名呢？
人类目前还来不及为一下子发现的这么多系外行星起文雅的名字。
凡是开普勒望远镜发现的，都冠上开普勒这个名字，然后后面是表示编号的阿拉伯数字。
比如，上图为艺术家和科学家共同构建的开普勒-11星系的情况。这个星系有6颗行星围绕一颗和咱们的太阳非常相像的恒星运行。
这些行星，按确认发现的先后顺序，被命名为开普勒-11b、开普勒-11c、开普勒-11d、开普勒-11e、开普勒-11f、开普勒-11g。
也就是说，在阿拉伯数字后面跟的小写字母，就代表这个星系中的某颗行星。
这个字母，从b开始，因为a本身默认留给了这个星系核心的恒星。
上图是根据开普勒望远镜在2010年8月26日观测的数据绘制的。当时恰好有三颗行星飞到开普勒-11星系的恒星前面。
（怎么确定是3颗的？答：靠时间，一直凝视很多年，逐渐对比数据进行分析。）
明星
开普勒望远镜发现了2662颗系外行星。
受篇幅所限，小火箭只得取其中一些非常值得关注的行星做介绍。
（如果篇幅允许，小火箭还是很愿意逐一分析的，比如在小火箭的小行星系列报告《小火箭讲述人类探索小行星的技术和四个探索过小行星的组织》《小火箭讲述人类发现小行星的传奇过程》中，咱们一起分析了人类近距离观测过的每一颗小行星，无一遗漏。）
上图的上半部分，是开普勒-69星系。这是一个双行星系统，开普勒-69b和开普勒-69c两颗行星绕着他们的恒星旋转。
这个星系距离地球约2700光年，位于天鹅座。开普勒-69的恒星和太阳属于同一类，都是G型恒星。
上表为恒星分类表。by：小火箭
上图为科学家和艺术家根据目前掌握的情况绘制的开普勒-69c星的样子。
开普勒-69c比地球大70％，是在类太阳恒星的可居住区域内已知的公转轨道最小的系外行星。
科学家目前还不确定开普勒-69c的大气成分，但是基本上已经确定其表面平均温度为275℃。
因此，与其把开普勒-69c称作超级地球，不如把她叫做超级金星。
这颗每242个地球日就围绕其恒星公转一周的行星，就像我们的金星一样，有着炽热的大气。
开普勒在开始进行科学观测几个月后，宣布发现了五个系外行星，分别名为开普勒-4b，5b，6b，7b和8b。
这些系外行星之所以这么快就被发现，主要是因为她们个头儿都很大。这些系外行星全部比海王星要大，有的甚至比咱们的木星还要大。
这些行星仅需3.3天到4.9天就能够绕她们的恒星公转一周。这表明她们离恒星太近了，而且这些恒星都比太阳要热得多。
想象一下，咱们的木星比水星更靠近太阳的时候，会发生什么！
这些星球的表面温度在3000℃以上。
上图是开普勒-62e星。
该星比地球大60%，围绕着一颗比太阳更小的恒星运行，距离地球1200光年。
这颗每122个地球日围绕其主星绕一圈的行星，拥有凉爽的表面。很有可能的是，在她冰冻的外表下面，有巨大的海洋。
开普勒-62星系的主星，已经70亿岁了，这个星系是个极度缺乏金属的星系。这里如果有高等文明的话，其使用的建筑材料或许会以高分子化合物为主。
上图为与开普勒-62e星同处一个星系的开普勒-62f星。该星比地球大40%，每267天绕主星公转一圈。
按目前的观测结果，未来，人类的飞船可以在开普勒-62e和开普勒-62f上着陆。
开普勒-20e是一颗没有大气层的岩石星球。这颗半径为地球0.868倍的星球，太靠近主星，以至于她被潮汐锁定。
就像月球和地球的关系那样，开普勒-20e始终只有一面对着主星。开普勒-20e到其主星的距离只有地球到太阳距离的5.07%，仅需6.098天就绕其主星公转一圈。
在她永久的白天和永久的黑夜之间的晨昏线上，巨大的温度差异塑造了她的独特性格。以87.5°的倾角绕其主星的超近距离转动，使其地质活动异常活跃。
这里极有可能存在大量活火山。
在同一个星系内，开普勒-20f的温度稍低，但是依然比地球的平均温度高太多。她的公转周期为19.6天。开普勒-20f的半径为地球的1.03倍，极其接近地球。
上图从左到右：开普勒-20e、金星、地球和开普勒-20f。
在开普勒-20星系内，还有其他3颗行星，分别为开普勒-20b、开普勒-20c和开普勒-20d，她们都是气态巨行星。
开普勒-22星系的主星是一颗G型恒星，质量比太阳少3％，体积比太阳小2％。该恒星的表面温度为 5518 K（5245℃），和太阳比较接近（太阳的表面温度是5778 K，也就是5505℃）。
开普勒-22星系的这颗恒星的年龄大约为40亿岁，比太阳年轻一些。（太阳的年龄为46亿岁）。
上图为开普勒-22b星。这颗系外行星被很多人称作“水世界”。这颗半径为地球2.4倍的系外行星，极有可能有大量的水存在，其大气层或许有着非常丰富的云层活动。
这是一个由全民参与的系外行星探索项目发现的星系。这个四星系统中，处于核心位置的是一组相互围绕的双星恒星系统。
这个四星系统中，有一颗比海王星还要大的行星。
开普勒-35星系，两颗巨大的恒星相互围绕，成为双星主星。该星系或许只有一颗行星。这颗和咱们的土星大小相当的行星孤独地绕双星公转，每131天转一圈。
在这颗行星上，在白天抬头仰望的话，会是两颗相互绕转的太阳。
开普勒-78b星，比地球重70%，比地球大20%。
她离主星太近了，仅8.5个小时就能够绕其主星转一圈。按动力学仿真的结果，该星的表层岩石时刻处于重力场的撕扯之中，其星球表面时刻伴随有巨大的轰鸣声。
这真是一个炼狱般的世界。岩浆覆盖了整个星球表面。
其实，开普勒-78b这颗星的名字还是比较好起的：
小火箭命名：西红柿炒鸡蛋星。
公元1453年5月29日，奥斯曼帝国攻陷了拜占庭帝国的首都君士坦丁堡，末代皇帝君士坦丁十一世战死，历时一千余年的东罗马帝国就此灭亡，长达1480年的罗马帝国也正式终结。
公元1453年10月19日，法国人夺回波尔多。至此，持续116年之久的英格兰与法兰西的百年战争，以法国人的胜利而告终。
这116年的时间里，英格兰长弓让法兰西锁子甲吃尽了苦头。而法兰西板甲的出现又让长弓失去了应有的作战效能。
就在这个时候，在距离我们565光年之外的开普勒-10星系的主星，发出了一束光。
这束光，在这个时刻，恰好抵达地球。正在阅读小火箭本文的好友们，在这夜晚，抬头仰望的时候，有那么一束光，就是在那君士坦丁堡城头的守卫士兵发出誓死捍卫城堡的呐喊的那一刻，就是在那圣女贞德挥舞旗帜的那一刻，在那英格兰长弓射出最后一支箭的那一刻，在那航海家们开始起航的那一刻，从开普勒-10星系的恒星中发出的。
开普勒-10星系距离我们很近，只有不到565光年。在15万候选恒星中，开普勒-10星系的恒星备受关注。
这颗星和我们的太阳极其相似，只不过年龄大了一些。开普勒-10星系的主星，年龄超过80亿岁。如果这里有智慧生物的话，很有可能比我们人类的文明要发达得多。
开普勒-10b是开普勒-10星系中第一个被发现的行星。
她是一个被烧焦的星球。她到其主星的距离比水星到我们自己的太阳的距离要近20倍。
据分析，开普勒-10b的表面温度超过2000℃。这颗熔岩星球的质量是地球的4.6倍，半径是地球的1.4倍。
开普勒-7b是一颗蓬蓬松松的行星。她的体积是我们的木星的1.5倍，但是质量却只有木星的48%。
这颗行星是人类首颗确认云层样貌的行星。开普勒-7b的云层非常厚，但是分布很不均匀。在该星西侧，集中了星球80%的云。这些云含有大量的硅酸盐。
而在该星的东侧，则全年处于万里无云的天气中。
在开普勒望远镜的飞轮系统还好的时候，她就已经发现了不少系外行星。这些行星中，最多的还是体积和我们的海王星类似的行星，只有808颗系外行星的尺寸和我们的地球相当。
开普勒望远镜不仅向我们揭示了系外行星的大量存在这个事实，而且还向我们展示了千姿百态的星系构成形式。
星系的排列有密有疏，气态大行星的数量有多有少。
上图为开普勒望远镜筛选出的可供人类居住的行星（理论上）。
上图从左到右：开普勒-22b、开普勒-69c、开普勒-62e、开普勒-62f和地球。
开普勒-90星系的主星是一颗类似太阳的恒星，而且她也有8颗行星。但是她的所有8颗行星都被挤压到了地球绕太阳公转的轨道范围内。
开普勒-90i星的一年，只有14.4天，而我们的水星，一年时间也有88天呢。
这个星系，正在从青春期向成熟期生长。这8颗行星，在未来，会逐渐扩散成像我们的太阳系一样的大间距。是的，一个和我们的太阳系非常类似的星系正在成长中。
开普勒-444星系，是银河系诞生20亿年之后形成的一个非常紧凑的星系。
在这里，所有5颗行星都挤在一个比水星围绕我们的太阳更小的轨道范围内。这5个小岩石星球，最小的和水星相当，最大的一颗则与金星相当。
如果哪个星际舰队想要练习在岩石行星之间的引力辅助变轨机动的话，来开普勒-444星系是个不错的选择。
在这个星际驾校练就的驾驶本领，在整个银河系都会是顶尖的。
如果这个宇宙有一个光明的中心，那么你就在离它最远的那颗行星上。
对星球大战系列颇为了解的各位好友，一定马上就反应过来了。
嗯，小火箭这里说的就是卢克·天行者的家乡，塔图因星。
塔图因星是个沙漠星球，能够看到两个太阳，其中一个橙矮星，一个红矮星。
而开普勒望远镜，居然真的找到了疑似的塔图因星。
开普勒-16b行星，围绕两颗恒星运行。其中一颗是橙矮星，质量为太阳的69%，另一颗是红矮星，质量为太阳的20%。
在开普勒-16b上，是的确能够看到天行者看到的那样的双落日的。
公式
找到了那么多系外行星（2662颗），那么到底哪一颗才是最接近地球的呢？
这就需要定义了一下接近了。
ESI，为地球相似指数，其数值范围在0到1之间，越接近1，表明和地球越像。
其中，变量x目前是由行星半径、行星密度、逃逸速度和表面温度这4个数值组成的。
如果ESI值能够达到0.8，那就表明，该星球在很大概率上是一颗岩石星球，并且带有足够厚的大气层。
先算一下火星和金星吧：
小火箭分别从直径、质量和表面重力加速度来说：火星介于地球和月球之间，火星的直径约为地球的一半，是月球的两倍；火星质量约为地球的九分之一，为月球的九倍；火星的表面重力加速度约为地球的38%，是月球的2.4倍。
火星体积约为地球的15%，质量约为11%，表面积略小于地球陆地面积。
综合计算，考虑到表面温度地表温度白天可达28℃，夜晚可低至-132℃，平均-63℃，得到火星的地球相似指数为：
0.638
金星的直径是12092公里（只比地球少 650公里），她的质量是地球的81.5%。
从尺寸上来讲，金星简直就是地球的孪生妹妹。
但是金星表面的状况从根本上就与地球完全不同，其稠密的大气层富含二氧化碳。金星大气中含有96.5%的二氧化碳，其余的3.5%大多是氮气。
综合计算，金星的地球相似指数ESI为：
0.78
其他太阳系内的天体的地球相似指数，可以自行计算，比如月球是0.56，水星是0.39，冥王星是0.076。
目前，已经确认的系外行星中，地球相似指数最高的，是开普勒-438b星，其数值，高达0.88。（比金星和火星都要高得多。）
开普勒-438b星距离地球639光年，该星的半径为地球半径的1.12倍，表面平均温度为37℃。
另有一颗尚在确认过程中的系外行星，其编号为KOI-4878.01，距离地球1075光年。该星的地球相似指数为0.98！这颗星也是开普勒望远镜发现的，不过还未得到最终的确认，我们还是等待科学家的最终定论吧。
上图为艺术家迫不及待地根据有限的信息创作的该星的样貌画像。
体系
生命有种种不同的形态，或许有的岩浆星球上，虽然非常炎热，但是却有适应当地环境的智慧生命存在呢。
有关这个问题的讨论，甚至可以追溯到十年前，小火箭2008年的行星工程师沙龙第5次讨论会。
当时，小火箭给出的意见是：
诚然，那些我们看似条件比较极端的星球，很有可能有着不同的生命形态。但是，我们依然需要优先寻找和我们的生存环境相近的智慧物种。
我当时给出的解释如下：
生活环境的迥异，让不同物种之间的交流变得困难甚至是凶险，这种情况在地球上从不同地域成长的人类之间的交流都可以有所体会。
浩瀚的星云和天空中或舒或卷的白云，从某种意义上来说，也都是有生命的。要不然，李白为什么还要举杯邀一下明月呢！
但是，这种生命形态，只有极少数哲学或者艺术大师能够与之交流，暂且不具备工程意义上的可操作性。
另外，寻找和地球相似的星球，还有一重意义：
一旦我们的地球变得不再适宜居住，那么这么多年的寻找所积累的结果，至少也能够为我们前往下一个栖息地提供方向。
另外一个大讨论，集中在这个问题上：
地球，多么美妙的家园，为什么不好好保护地球，天天想着往外面跑呢？
小火箭答：
6400万年前，那颗小行星撞到地球上之前，我觉得恐龙也是这么想的。
地球家园再美好，也是无法约束人类的探索之心的。
这十年前，小火箭反复思考这个问题，然后梳理出了一个技术体系以便更好地分析此类问题。
今天，借助本文，小火箭把这个体系写出来，和大家共同探讨。
我们现今的乃至未来的技术，可以大致分为三大体系：
第一，对整体系统的自我改进；
第二，对关键功能的部分代替；
第三，对相似原理的完全重构。
小火箭三大体系
以人体为例，我们人类研究医学，攻克各种疾病的治疗方法，就属于第一个体系，是对我们自身的改进。包括健身、格斗术、基因筛查和未来的出于预防性医疗为目的的基因改造，都属于第一个体系。
而义肢、机械外骨骼、手枪、挖掘机则是对人体的四肢、躯干等部分的功能的代替和延伸，属于第二体系。
第一体系和第二体系的区别，类似于美国队长和冬兵巴恩斯的区别。
第三个体系，是对相似原理的重构。比如人工智能是对人类智能的重构。人工智能不是简单地模仿和增强人脑的生理结构，而是基于相似原理，完全以不同的载体重新构建了一整套系统。人工智能或许不具备人类的肉体，也没有表面意义上的大脑，但是却具备和思考、决策相似的作用原理。
第三体系，对应于漫威宇宙中的幻视。
在火箭科学领域，研制比冲更强的化学火箭发动机、让火箭变得可重复使用，都是第一体系；用离子发动机替换化学火箭发动机，属于第二体系；在更高维度上，不借助现在的火箭，而是用另外的技术实现信息和物质的空间转移，则是第三体系了。
在行星科学领域，环境保护依然非常重要。
让我们的地球更宜居，更美好，这个愿望无可厚非，而且可以纳入小火箭第一体系；
发展可长期有人值守的空间站或者是太空城市，属于部分替代，是小火箭第二体系；
而寻找并且移居系外行星，则是在地球乃至近地轨道之外，探寻一种新的生存方式和生活方式，这就是小火箭第三体系了。
通常来说，当某个领域的技术到了蓬勃发展的阶段，一定是三大系统并行发展的。
计算机领域更是如此，算法和软件的迭代升级，属于第一体系；
新的外部设备的出现，延展了原先的功能，比如语音输入、指纹识别和人脸识别以及强大的摄影摄像功能都是对以往传统计算机的鼠标和键盘这样的输入系统的部分代替和补充，属于第二体系；
当新的处理器出现，新的连接方式开始普及，移动互联网开始取代个人PC机和网线，成为互联网时代的主流的时候，互联互通就实现了从有线网到无线网的重构，载体从台式电脑变成了个人手机，但是互联的基本原理和精神没有发生大的变化，这就是第三体系。
但是，在互联网发展的这些年，硬件的升级和软件的升级乃至整体架构的迭代，速度都非常快，以至于区分这三大体系变得越来越困难。
小火箭希望人类对太空领域的探索，也能够早日实现小火箭三大技术体系的交融。
小火箭认为，我们对技术的发展，向来应当兼容并蓄，工程师所要做的，还是携手向前。毕竟，面对复杂的难题和浩瀚的未知，人类始终在此岸，而尚未到达彼岸。
在小火箭写这篇报告的时候，开普勒望远镜已经耗尽了她的最后一滴燃料，孤零零地漂浮在太空。
而她9年来兢兢业业的工作，已经让我们有充足的理由，畅想到：
我们在这个宇宙，并不孤独。
全文结束，而我们对太空的好奇和对真理的渴求，永不会结束。
版权声明：
本文是邢强博士原创文章，腾讯独家内容。欢迎朋友圈转发。
微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
欢迎 加入 小火箭 ，进入航空航天大家庭！
针对iOS系统的打赏二维码已经补充↑↑↑。
感谢您对小火箭的支持！
后注：再次恳请媒体、工程技术人员和科幻科普作家使用小火箭图、文内容时，注意规范引用。
引用格式范例：邢强 . 小火箭 | 剖析SpaceX公司的最新版猎鹰运载火箭 [EB/OL] 2018 . 小火箭
小火箭出品，必属精品
全世界工程师，联合起来！