2015年度邵逸夫天文学奖颁予威廉•伯鲁奇(William J Borucki),以表彰他构思及领导开普勒计划;这计划大大增进了对太阳系外行星系及恒星内部的认识。他是美国宇航局艾姆斯研究中心开普勒计划首席研究员。

1984年,威廉•伯鲁奇和奥德丽•萨默斯发表论文,评估以凌星测光法探测太阳系外行星系的可能性。其主要概念是同时监测许多恒星的亮度。行星横过观察者(地球)与其寄主星之间的视线时,使所见的寄主星亮度轻微减少,这就是行星存在的证据。亮度减少的现象周期性出现,相隔时间正好就是行星的公转周期,这周期性特征有利分辨寄主星亮度起伏的其他原因。凌星现象的深度决定了行星与其寄主星的面积比率。 威廉•伯鲁奇和奥德丽•萨默斯强调,若要检测约地球大小的行星,必须于大气层上方能观察得到。

随后,威廉•伯鲁奇花了很长时间说服天文学界及美国宇航局,只需要一个不太大型的太空项目,便能发现有可能适合生物居住的行星。他在1992年至1998年间提交四份建议书,均被否决;2001年12月他提交第五份建议书,才获通过,编为「第十号发现计划」。该计划由2002年正式展开,开普勒航天飞行器于2009年3月发射。

面积与地球相若的行星只会引起非常微小的亮度改变,伯鲁奇等科学家证明,尽管变化这么小,还是可以测量的,这是令开普勒计划获得肯定的重要里程碑。由于地球的半径为太阳半径的百分之一,亮度变化小于万分之一。开普勒计划经常达到更高的精确度,因此能发现比地球面积更小的行星。开普勒计划推出5年后,发现了数以千计的行星,不少恒星是多颗行星的栖身之所,有两颗恒星就被发现怀有至少六颗行星。与太阳系相若,怀有多颗行星的星系统都呈平面状态。鉴于几何因素影响凌星检测,计划推出的时间亦有限,被开普勒计划发现的行星倾向于接近其母恒星轨道运行。

开普勒计划更达成第二个重要目标,就是能够精准地测量源于恒星震动的亮度变化,振动频率提示了有关恒星的年龄、质量、半径及内部自旋率的资料。

进一步的技术解说
凌日现象在古典天文学已受注意。当有行星在其运动过程中,走到太阳和观察者(即地球)两者之间的视线上,就称为「凌日」。当然,只有内行星(即轨道半径小于地球轨道半径者)才会有凌日的情况。由于太阳表面可以分辨,呈现为一圆盘状,当行星凌日时,可见一个细小黑点在太阳表面横过。内行星包括水星和金星,自古已知,但假如还有其他内行星的话,可以用凌日法去找寻,而在十九世纪,也确实利用凌日法去找其他内行星— 但没有找到。

同一原理可以用到其他恒星。如果有行星绕该恒星(即寄主星)走动,而行星走到寄主星与观察者(即我们)之间的视线上的话,就会阻挡了部份光线。这就称为「凌星」现象。但这些恒星离我们甚远,只呈现为一点,其表面不能分辨,所以不可能见到一个黑点横过星面。可以观察到的,只是恒星的亮度出现微小的减少,亮度的减少取决于行星面积和寄主星面积的比例。伯鲁奇等科学家的工作,就是成功地观察了这微细但周期性的亮度改变。

邵逸夫天文学奖遴选委员会
(译自英文原稿)


2015年6月1日  香港