尋找系外類地行星的「克卜勒」又立新功。
2015年7月24日，美國航空航天局宣布，其「克卜勒」空間望遠鏡發現了迄今為止與地球最為相似的太陽系外行星——克卜勒-452b。目前，人類已知的大部分類系外地行星都是由「類地行星神探」——「克卜勒」空間望遠鏡發現的，它已發現了4696個系外行星候選者，確認了1030顆系外行星，其中有12顆宜居帶內的系外行星直徑介於地球的1～2倍之間，它們都有可能與地球相似。
那麼，「克卜勒」空間望遠鏡是如何尋找這些系外類地行星的呢？
那麼多姓「克卜勒」的星
現在，人類已找到了三類太陽系外行星——氣體巨星、短周期軌道上熾熱的超級地球和冰巨星。
所謂類地行星簡單地說類似於地球的行星,它由巖石構成，圍繞像太陽的恆星運行，可能孕育著生命，因而具有研究意義。比如，大小為地球的一半到兩倍之間的行星，尤其是那些在恆星周圍的宜居帶的行星，在該區域運行的行星表面很可能有液態水的存在。
長期以來，人類一直在通過各種辦法在太陽系外尋找類似地球的行星。但其面臨的一大困難就是缺乏觀測手段，因為在類似太陽系的遙遠星系中，恆星和行星的距離往往較近，恆星發出的強烈光芒會掩蓋行星，使地球上的天文望遠鏡觀測不到。
其實，早在2009年3月3日以前，人類就已發現了342顆太陽系外行星，不過其中絕大多數屬於類木行星，它們體積比較大，表面是氣體，據信其中沒有一顆適於生命存在。這樣的結果主要是由於當時的探測方式和技術水平決定的，但並不能說明太陽系外不存在類地行星或有生命存在且與地球大小相當的行星。
2009年3月6日，美國發射了世界第一個專門用於尋找太陽系外類地行星的空間望遠鏡——「克卜勒」。其「絕活」是攜帶了全球體積最大的光度計到太空中去，該裝置能幫助搜尋太陽系外類地行星。
「克卜勒」的任務是尋找與地球相似的星球，解答「地球是不是孤獨的」的這個人類亙古以來就面臨的難題。我們想要知道銀河系中是否有宜居帶或者其附近的數百個地球大小和比地球小的行星，即恆星宜居帶中不太冷、不太熱、存在液態水的行星，我們希望確定銀河系的數千億恆星的一部分中可能擁有這種行星。簡單地說，「克卜勒」就是要找到宇宙中生命有可能存在的地方，從而改變人類對宇宙的看法，有望從根本上改變人類對自身的認識。
找到宜居行星只是尋找外星生命的第一步。如果發現許多類地行星，就意味著生命可能在銀河系內普遍存在；如果沒有發現或發現很少的類地行星，則表明地球可能是唯一的生命站。當時專家預計，「克卜勒」可發現50顆以上的類地行星。
其實，單就克卜勒-452b來說，它不是最像地球的太陽系外行星，因為2014年宣布發現的克卜勒186f，半徑是地球的1.17倍，2015年年初宣布發現的克卜勒-438b，半徑更是只有地球的1.12倍。這2顆行星都處在各自恆星的宜居帶內，也都比克卜勒-452b更接近於地球的大小。只不過，這2顆行星所環繞的恆星都要比太陽小得多，也暗得多。而克卜勒-452b所環繞的恆星非常類似於太陽。因此，如果把恆星也考慮進來的話，克卜勒-452b確實稱得上是「另一個地球」。
當然，「克卜勒」的主要目標並不是要尋找「另一個地球」，而是通過這種抽樣調查的方式，幫天文學家更好地了解地球這樣的宜居行星在整個銀河系當中到底有多麼普遍。克卜勒-452b就像比地球大的遠房親戚，研究它有助於科學家理解地球的進化環境，預見地球的未來。
由於「克卜勒」成就顯著，2013年4月，美國航空航天局宣布，將「克卜勒」原定3年半的任務期延長至2016年。但在2013年5月14日，「克卜勒」空間望遠鏡的1個反作用飛輪壞了，再加上2012年壞的1個反作用飛輪，其4個用於姿態控制的反作用飛輪已壞了2個，所以無法繼續提供精確的定位，完成搜尋使命。
在經過數個月的努力後，美國航空航天局於2013年8月15日宣布放棄修復「克卜勒」。不過，2014年，「克卜勒」團隊用太陽光子產生的壓力作為一個虛擬反應輪，成功重新控制瞭望遠鏡並使其「復活」，而其在重獲「新生」後再建新功。未來，美國將發射「太陽系外行星獵人」來接替「克卜勒」，完成尋找系外行星的任務。
如何發現表兄
太陽系外有多少個地球？直到現在也幾乎沒有答案，原因就在於目前的天文觀測還不足以探測到這些「特殊」的行星。
目前，探測太陽系外行星常用方法有幾種。「克卜勒」採用的是測量「凌星」的方法。
當行星從其母恆星前飛過時會阻擋了一部分恆星的光，即出現行星「凌星」現象，這樣就可確定這顆母恆星周圍存在的行星，並根據「凌星」的間隔和亮度等確定行星的軌道、溫度和大小等。這就像人們看到遠處有一輛亮著大燈的汽車，當一隻小蟲從汽車前經過時，可通過光線變化推斷蟲子的大小。四是測量速度。它是沿著觀測者和目標恆星之間的矢徑測量恆星速度，因為恆星的「視向速度」會因圍繞其運動的行星而變化。
以前，大部分的太陽系外行星是通過測量「視向速度」法，即測量速度法來發現的，根據都卜勒效應，恆星的「視向速度」可以從恆星光譜線的移動推導出來。這種方法很有可能發現靠近其恆星的大行星，然而它對於和地球質量相仿的低質量行星並不敏感。
在當今，用測量「凌星」法更適合發現像地球大小的星體。
嚴格地講，「克卜勒」並不是世界第一個專門用於尋找太陽系外類地行星的空間望遠鏡，因為歐洲在2006年12月27日發射的 「科羅」空間望遠鏡也是用測量「凌星」的辦法來探測太陽系外行星的。但是「克卜勒」要比「科羅」空間望遠鏡先進得多，成果也多得多，所以，美國自稱「克卜勒」是世界第一。
由於「克卜勒」是圍繞太陽運行的，而「科羅」是繞地球運行的，這意味著「克卜勒」能有更多的時間搜尋目標星球的「芳蹤」。與「科羅」衛星相比，「克卜勒」可以在3年半的時間裡不間斷地觀測同一片天區。而「科羅」由於是圍繞地球轉動的，因此地球會經常遮擋住它的視線；同時為了避免陽光對觀測的影響，因此「科羅」對同一片天區的最長連續觀測時間只有5個月。另外，「克卜勒」也比「科羅」靈敏得多，因為其光度計主鏡直徑是「科羅」的3.5倍，因此它能看到大小只有地球一半、和火星差不多大的行星。
「克卜勒」探測系外行星的秘訣是：從地球方向上看，當恆星系統中的行星運行到「克卜勒」與恆星之間時，由於行星遮擋了一部分恆星發出的光，所以會使「克卜勒」光度計接收到的恆星亮度會變弱，變化範圍大約是5×10-5～40×10-5，連續大約2～16小時。「克卜勒」就是這樣根據一顆恆星亮度的周期性微弱變化，來判斷其周圍可能存在行星。
通過測量「凌星」行星的公轉周期，利用克卜勒第三定律——所有的行星的軌道的半長軸的三次方跟公轉周期的二次方的比值都相等，就可大致計算出行星軌道大小。
行星越大，遮擋的光線就越多，所以通過觀測到「凌星」的深度(恆星亮度減弱的程度)，即掌握光線變暗的程度，就可計算出行星的大小。
人類的專職星探
不過，每顆行星需要至少觀測到3次「凌星」現象才能確定其軌道周期，並確定光線變暗不是由其他某種現象（比如該恆星上的耀斑）造成的。如果潛在的行星軌道周期很短（幾天或幾周），則意味著它距其母星非常近；而軌道周期很長（幾年），則意味著它更接近於該恆星引力控制範圍的邊緣。距離過近或過遠會使行星上過熱或過冷，無法支持生命的出現。
「克卜勒」探測到的亮度微弱變化可以小到百萬分之十左右。同時，在了解了恆星的運行軌道大小和溫度的基礎上，可計算出行星特定的溫度。對這些基本情況的了解能告訴人們某顆行星是否具有宜居性。
雖然這一技術方法在1999年前就被科學家採用了，並幫助了天文學家發現了300多顆較大的行星，但「克卜勒」空間望遠鏡的特點是把目標對準更小的行星，即像地球一般大的宜居住行星，它們都圍繞其母恆星運轉。
由於能長時間地監測目標，所以「克卜勒」至少能看到3次軌道周期為一年的行星「凌星」。這是嚴格確認這些周期性事件所需的最少觀測次數，由此可排除諸如恆星亮度自身漲落等幹擾因素，證實星斑幹擾的周期性和規律性。
耗資近6億美元的「克卜勒」空間望遠鏡設計壽命3.5年，探測銀河系內的天鵝星座與天琴星座之間的一小塊天區（10°角寬約20個滿月的宇宙空間），通過檢測其間10萬多顆像太陽一樣的恆星（其距離在586.8～2999.2光年之間）每半個小時的亮度變化，研究行星穿越其恆星面前時產生的「穿越」現象，就能有望尋找到圍繞這些恆星周圍的類地行星跡象，並描述它們的特徵。
之所以把觀測區域選擇在銀河系中的天鵝座和天琴座一帶，是因為天鵝座距離地球軌道(黃道)北部很遠，太陽不會干擾「克卜勒」的視線，有利於連續觀測。此外，它也是銀河系中擁有大量恆星的一個區域。
為了保證有效觀測，「克卜勒」在上天的第一年跟蹤了17萬顆恆星，隨後慢慢將範圍縮至10萬顆。具體方法就是當行星從恆星和「克卜勒」中間飛過時，「克卜勒」利用類似數位相機一樣光度計來觀察恆星的亮度發生的輕微變化。這有助於人類了解銀河系中到底存在多少顆跟地球體積一樣的行星，對未來的太空任務也很重要。由於行星「凌星」現象持續時間並不長，眾多的恆星又必須同時觀察，這就要求所有受觀測恆星的亮度每隔數小時就必須測量一次。
為了實現連續的觀測，「克卜勒」上的光度計視場要在黃道平面之外，這樣才能不被太陽或月球周期性的遮擋。所以，該空間望遠鏡運行在與地球相同、與地球同速繞太陽運行的軌道上，能避開太陽的遮擋。其一個軌道周期約為372.5天是尾隨地球的一條日心軌道，即地球拖尾日心軌道。在這條軌道上，「克卜勒」緩慢駛離地球，4年後距離地球0.5天文單位（1個天文單位=149598000 千米），從而能在整個任務期間一直對相同恆星進行觀察，尋找大小與地球相仿、處在可支持生命的軌道區域內的行星，最大可能地避開太陽、地球以及月球的幹擾，不存在因重力梯度、磁矩或大氣阻力而產生的力矩來幹擾空間望遠鏡，因而能保持非常穩定的指向姿態，還避免了與地球軌道相關的高輻射量（但偶爾也會遭受太陽耀斑的輻射）。
這一優勢使包括「哈勃」再內的其他天文衛星望塵莫及，有可能揭開一些「特殊」行星的面紗。
「哈勃」不能用於尋找類地行星，一是因為其視場太小，無法用於觀測大量亮度較高的恆星，僅相當於人們在手臂長的距離看到一粒鹽大小的面積。二是「哈勃」主要用於幫助整個天文學界解答數千個疑問，所以不能對恆星亮度進行連續測量，要想知道凌星會在何時發生，必須連續關注4年才行。三是「哈勃」並沒有安裝專用光度計，無法同時對10萬多顆恆星進行觀測並且要達到所要求的精確度。（撰稿｜諸葛士元）
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