加入NASA

是什么促使你喜歡上了月亮和行星？你一直都對天空感興趣嗎？

當然，童年時我已經(jīng)對天文學很感興趣。我會和朋友們騎自行車去葉凱士天文臺，距離我在威斯康辛州德拉文的家大約有24公里。那時的夜空非常黑，你可以爬上樓頂看流星雨。

除了觀測以外，你還對什么感興趣？

我和朋友們造過火箭。我還記得一開始我們做過的一個火箭模型，大概5厘米高，鉆了一個小孔可以往里面放火藥?；鹚幒苋菀着?mdash;—那時候還沒什么恐怖分子。后來我們造的火箭就很大了。我們用了直徑好幾厘米的鋼管，裝了好幾千克的推進劑，火箭內(nèi)部還放了無線電發(fā)射機，這樣能收到信號把火箭再找回來。我們會事先打電話給警察局長，告訴他我們要發(fā)射火箭，他就會關閉這一地區(qū)的道路。要是火箭落下來砸死了牛，這才是真正的問題——你還得給農(nóng)民賠牛錢。

你們砸死過牛嗎？

從來沒有。

你是怎么進入NASA的？

1962年，我在威斯康辛大學獲得了物理學碩士學位，NASA是我唯一想去工作的地方。NASA有兩個實驗室給了我錄取通知：一個是克利夫蘭的飛機發(fā)動機研究實驗室（今天的格林研究中心），另一個是加利福尼亞的艾姆斯研究中心。格林中心從事推進研究，艾姆斯中心正在為阿波羅計劃設計隔熱罩。兩個機會看起來都很好，但父親告訴我去西部吧。于是，我選了艾姆斯研究中心。

你是怎么拿到NASA兩份錄取通知的？成績一定非常優(yōu)秀吧？

你必須記住一點，當時NASA還沒有登上月球。我們還不知道該怎么設計隔熱罩，才能保護飛船安全通過大氣層。我們不了解飛船要穿過的大氣包含什么化學成分。有太多的事情我們都不懂，所以話說回來，你也不必非得是一流的學生才行。你不一定要有博士學位?；旧蟻碚f，你必須能夠解決問題，而且是迅速解決，風格務實。

研制實用的隔熱罩是你的第一個項目，對吧？

我們需要知道飛船返回大氣層時會面對什么，所以我們必須在實驗室中重現(xiàn)那些條件。我們想法是，用兩尊大炮相互瞄準，一尊炮以15馬赫的速度射出300磅（約136千克）空氣，另一尊射出一個飛船模型穿過那些空氣。飛船以如此高速穿過空氣，在隔熱罩前產(chǎn)生明亮的沖擊波。我的工作室設計能夠分析沖擊波發(fā)光的儀器。這些測量能夠告訴我們被加熱空氣中的化學過程，還能告訴我們隔熱罩能否有效地保護飛船。

你如何設計出這樣的實驗，去檢驗從來都沒人實驗過的條件呢？

我們需要一把性能超出人們想象的槍。普通步槍不可能射出那么多氣體。但艾姆斯研究中心有采購商，負責購買東西。我們給了他很多艱巨的任務，其中之一是要弄到海軍戰(zhàn)列艦上的大炮。他居然給弄來了！然后，我們就想辦法把一尊炮旋進另一尊，讓一尊炮開火進入另一尊里面，這樣我們就造出了一尊巨炮，能夠把所有空氣通過超聲噴嘴發(fā)射出去。你知道，我們需要在登月方面擊敗俄國人，所以那時候NASA沒什么繁文縟節(jié)。我們奉行的哲學是：讓我們做起來，快快地做起來！現(xiàn)在，你需要的大部分東西都得先填一堆表格，成本還比直接出去購買要貴得多?；叵氘斈?，我們在各方面都極端高效。今天的效率低多了。

1969年7月20日，看到阿波羅11號的宇航員成功登月時，你是什么感覺？

看到他們成功登上月球，在月球上行走，對我來說，這顯然太有意義了。更有意義的是，看到他們平安歸來。登月很偉大，平安回來更偉大。

阿波羅項目在1972年結束，登月很快就變得虎頭蛇尾。接下來你在做什么？

NASA解雇了為阿波羅工作的每一個人。當時我想在艾姆斯中心再找一份工作。差不多就是到處走走，“你瞧，我會做很多事情，有什么問題需要我來解決嗎？”后來，我寫了好幾篇漂亮的研究論文，內(nèi)容涉及地球大氣層和金星、木星及土衛(wèi)六上的閃電。

提議開普勒

是從什么時候開始，你想去尋找其他恒星周圍的行星呢？

艾姆斯研究中心總是有優(yōu)秀科學家主持的講習班。早在20世紀70年代，就有關于尋找太陽系外行星的講習班了。一些人，比如弗里曼•戴森（Freeman Dyson，物理學家兼未來學家），在這個領域就非常活躍。他們的興趣大多是，嘗試用天體測量學尋找行星，也就是測量由于行星引力導致的恒星位置的變化。我對天體測量學一無所知，但我做過隔熱罩，也研究過閃電，對光度學很熟悉——就是測量光的強度。我開始思考，也許光度學也是一種尋找行星的方法。我跟講習班上的一些人談過，但他們都不感興趣。當時人人都相信，這項工作將由天體測量學來完成。

觀測星光來尋找行星的想法，你是怎么發(fā)展出來的呢？

閱讀文獻很有幫助。我在1971年的《伊卡洛斯》上看到一篇文章，是一位名叫弗蘭克•羅森布拉特（Frank Rosenblatt）的神經(jīng)外科醫(yī)生寫的。這篇文章非常棒，探討了如何通過測量其他恒星的星光，來尋找這些恒星周圍的行星。如果一顆行星從恒星和你的望遠鏡之間經(jīng)過，你會看到光的強度略有下降。不幸的是，羅森布拉特提交了這篇文章后不久，就在一條河上劃皮劃艇淹死了。但我和艾姆斯中心的天文學家奧德麗•薩默斯（Audrey Summers）開始研究羅森布拉特的文章，并進行了一些改進，然后我們自問，需要什么樣的儀器才有能力進行這樣的測量。1984年，我們在一篇文章中總結道，地面上的望遠鏡用這種方法能夠探測到木星大小的行星。但對于小得多的地球大小的行星，就必須使用不受大氣層干擾的望遠鏡，也就是要到太空里去。

那你做了什么，如何把一個寬泛的概念變成一個具體的計劃？

艾姆斯中心有一個叫做“主任自由資助基金”的東西，NASA各中心可以用這筆錢去做各自想做的事情。我成功地申請到了一小筆資金，大約10000到15000美元，用來開一個工作室，或者造一臺小光度計用于測量亮度。人們開始討論，如何才能造出一臺十分精確的光度計。我們對光度計的要求高得超乎想象：木星大小的行星從太陽大小的恒星前面經(jīng)過時（這個現(xiàn)象稱為“凌星”），星光會變暗大約百分之一。但對于地球大小的行星，光度計的精度必須提高1000倍，能夠測出十萬分之一的亮度變化。一步一步，我們開始弄清楚怎么才能達到這樣的精度。

然后你就構想了一艘飛船，能夠用這種方式來尋找行星？

是的。向NASA遞交提案時，你必須列出來儀器上的每一個部件。我們知道，我們的飛船需要一架大望遠鏡和光學探測器，來持續(xù)不斷地監(jiān)測數(shù)千顆恒星，去尋找短暫的凌星過程。通過監(jiān)測很多顆恒星，才能提高找到凌星的幾率，而且你需要更多的統(tǒng)計手段，去估計銀河系中存在行星的幾率。從一開始，這個巡天項目的設計目的就是，確定在恒星周圍可居住區(qū)域內(nèi)存在地球大小行星的幾率，也就是尋找能夠維持液態(tài)水、可能存在生命的行星。如果這個幾率很高，銀河系內(nèi)就可能存在大量生命，銀河系外也是。如果“地球”很少，那么就很難找到生命了。

你是在什么時候第一次向NASA提出這個行星搜尋項目的？

1992年，復審的人很快就拒絕了。他們說不存在能做這樣精確測量的探測器。我相信有，但當時還沒有證據(jù)。兩年后，我們又提交了這個項目的修改版，這次他們又因為資金問題拒絕了我們。NASA剛花了10億美元把哈勃望遠鏡送上了太空，還在為哈勃光學系統(tǒng)對焦不準的慘敗進行公關。他們擔心再發(fā)射一臺太空望遠鏡的花費。

你是怎么努力改變他們的想法的？

到了1996年，又有一次申請項目資助的機會。此時，我們已經(jīng)用CCD做了光學測量，證明這種探測器應該足夠精確，可以發(fā)現(xiàn)行星。我們還指出，1995年有人發(fā)現(xiàn)了第一顆圍繞類太陽恒星轉(zhuǎn)動的外星行星。為了搞定這件事，我們還必須做一件事，就是給這個項目起個好名字。前兩次提案時，我們稱它為“地球大小內(nèi)行星幾率”衛(wèi)星，縮寫為fresip。我自己覺得這個名字挺棒的，可其他人都討厭?？?bull;薩根（Carl Sagan，他一直到1996年去世前都在為這個項目工作）和團隊的另一位成員說：“比爾，我們改一下，換個更鼓舞人心的名字吧。比如，開普勒。”17世紀，約翰尼斯•開普勒（Johannes Kepler）提出了行星運行定律，我們至今仍利用這些定律來解釋行星數(shù)據(jù)。他還創(chuàng)立了一些光學定律，幫助人們了解怎么正確地磨望遠鏡的鏡片。我讓步了。我們改了名字，在1996年又一次提出了項目申請。

然后，你又被拒絕了？

是的。已經(jīng)證明探測器能夠工作，已經(jīng)證明我們這個項目費用比哈勃少，而且已經(jīng)改了名字——但是還不夠。NASA說，沒有人證明過，你能夠同時跟蹤數(shù)千顆恒星，還能保持高精度。他們說：“去建個天文臺吧，證明這事兒能做成。”于是，我們在離艾姆斯研究中心40多公里的里克天文臺，借了一個已經(jīng)有故障的老舊小圓頂，里面有臺小望遠鏡。我們得封上屋頂，趕走地板下的蛇和老鼠。這里沒有洗澡間，所以如果夜里想洗澡，就得經(jīng)過一條會有美洲獅出沒的小路，去有洗澡間的地方。但我們重建了這個天文臺，架設好望遠鏡，完成了測量。我們證明，我們能夠同時對6000顆恒星進行光度測量。1998年，我們又一次提出了開普勒項目。

這是第四次了，對開普勒項目是不是幸運數(shù)字呢？

不是——NASA又一次拒絕了我們。這次他們說，我們必須證明望遠鏡即使在軌道上，存在宇宙射線和其他干擾的情況下，也足夠靈敏，能夠探測到地球大小的行星。至少這一回，他們給了50萬美元，讓我們在實驗室里證明這一點。艾姆斯研究中心也插手了，又借給我們50萬美元。NASA總部認為，我們得花上兩三年時間來設計和建造這堆東西，這樣就會錯過下次申請?zhí)岚傅臅r間，自己就放棄了，他們也好落個省心。

這次沒有“采購商”幫忙，你得自己造個原型機了。你是怎么做的呢？

我們做了個壁櫥大小的設備，長寬都是1.2米，高3米。在底部，我們放了個球，球里面裝了燈。光從球中射出來，再穿過被一個用激光鉆了很多孔的金屬盤，每個孔代表一顆恒星。在頂上，我們放了一臺小望遠鏡和一個CCD，測量所有“恒星”的亮度。然后我們晃動望遠鏡，就像在太空里會發(fā)生的那樣。最困難的部分是要模擬只有百萬分之84的亮度變化——這是地球大小的行星從太陽大小的恒星前面經(jīng)過時產(chǎn)生的變暗幅度。即使把一塊玻璃擋在一個孔前，導致的亮度降低也高達4%！所以，我們必須發(fā)明一些新的東西。我們用極細的電線橫在孔的前面，然后給電線通電。電線發(fā)熱后，直徑方向會膨脹幾個原子大小，正好擋住適量的光線。一切搞定之后，我們證明即使在太空里晃動的情況下，探測器也能完成這些觀測。

NASA認為這個實驗得花幾年時間，你們實際上用了多久？

我們用了6個月就完成實驗，發(fā)了一份技術報告給NASA總部，及時提交了申請書。2000年1月，NASA終于說：“我們投降了，來拿錢吧。”他們給了我們一些資助，但告訴我們得跟其他兩個項目競爭。然后在2001年，他們正式批準了我們的項目，發(fā)射日期安排在了2006年。

但隨后你們遇到了資金問題？

就在剛獲得資助之后，NASA告訴我們，第一年還拿不到錢。我當時就抓狂了，團隊的一些關鍵人員都想走了。幸好，當時NASA總部的科學項目主管安尼•金尼（Anne Kinney）弄到了錢，給了我們100萬美元作起步資金。2005年，我們正在快速制造各種東西時，遇到了另一個問題。NASA在那個財年已經(jīng)過去6個月的時候通知我們，他們不得不把我們的預算砍掉一半——這意味著我們已經(jīng)把這一年所能得到的全部資金花光了。我們唯一的選擇，只能是解雇所有的人。到第二年再雇新人，重新培訓。結果，項目的總費用增加了好幾百萬美元，還造成了一年的延誤。

即使遇到種種狀況，你們還是在2009年準備好了讓開普勒升空。發(fā)射前的準備階段過得如何？

開普勒準備用德爾塔II型火箭發(fā)射。這種火箭的第三級有些毛病，引線工作不正常。有時它會在錯誤的時間點火，有時甚至根本點不著。就在發(fā)射之前，有兩枚德爾塔火箭豎立在卡納維爾拉爾角的發(fā)射臺上，一枚要發(fā)射軍方的GPS衛(wèi)星，一枚要發(fā)射開普勒。軍方的人告訴我們：“你們會先發(fā)射，我們想看看引線是否正常。”

這肯定讓你更緊張了。

是有些焦慮。但經(jīng)過這么多年之后，你對這種焦慮已經(jīng)相當習慣了。

經(jīng)過這么些年的計劃，終于看到開普勒升空了，感受如何？

能看到開普勒進入軌道真是太棒了。但最大的興奮來自于三四個星期之后，我們看到了它傳回來的全幀圖像。恒星都在上面。衛(wèi)星沒有抖動，照片非常棒。

搜尋外星行星

該說說具體細節(jié)了。開普勒搜尋行星，到底是如何工作的？

開普勒就像一個巨大的數(shù)碼攝像機，一直對著天空中某個角落里的一組大約17萬顆恒星拍照片。這個系統(tǒng)每6秒鐘拍一張照片，然后記錄每一顆恒星30分鐘內(nèi)的平均亮度。我們把所有這些數(shù)據(jù)在衛(wèi)星上保存一個月，然后衛(wèi)星掉頭朝向地球，把數(shù)據(jù)傳輸給我們。

聽上去數(shù)據(jù)量似乎大得讓人不知所措，你們怎么處理它們呢？

我們每3個月分析一次數(shù)據(jù)。有很多因素必須考慮：衛(wèi)星和電子系統(tǒng)的溫度變化對恒星亮度的讀數(shù)會有影響，還有一些恒星本來亮度就會變化。所以，我們必須測量所有這些不同的過程，然后把它們排除。這時候，我們才能尋找凌星，那些微小的亮度下降意味著行星的存在。我們有個計算機程序?qū)λ袛?shù)據(jù)進行搜索，尋找重復出現(xiàn)的微小的亮度下降；重復意味著你看到同一顆行星圍繞恒星轉(zhuǎn)了一圈又一圈。如果程序發(fā)現(xiàn)，某顆恒星出現(xiàn)了至少3次可能的凌星，并且時間間隔規(guī)則的話，就會把它標記出來，留待后續(xù)研究。

在你們觀測的這17萬顆恒星里，開普勒已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多少顆新行星？

計算機已經(jīng)標記出大約15000顆可能的行星，但其中存在大量的假信號。比如，有很多恒星彼此繞轉(zhuǎn)遮擋，也會導致類似的亮度下降。所以在艾姆斯研究中心，我們有一個科學家團隊進行鑒別篩選工作。他們審視所有的遮擋事例，從中辨認出看起來有希望的目標。這些目標就被稱為“感興趣的對象”，大約有4000個。然后，我們有另一個團隊對這些目標進行非常細致的檢驗。如果某個目標通過了檢驗，我們就把它升級為“行星候選者”。我們已經(jīng)辨認出3000多個候選者，我們相信其中大部分真的是行星。但我們不會稱它們?yōu)樾行?，除非觀測者能夠證實它們。

天文學家怎么證實萬億公里之外的某顆恒星周圍存在一顆行星呢？

他們用地面望遠鏡尋找行星對其母星的引力拖拽效應，再用太空望遠鏡，比如斯皮策望遠鏡，來確認凌星過程。所以，我們實際上是做了全套的地面＋太空觀測，并對數(shù)據(jù)進行了非常明智的分析。只有當候選者通過了所有檢驗，我們才會說這是一顆經(jīng)過證實的行星。一旦我們宣布發(fā)現(xiàn)了一顆行星，我們就敢以我們的事業(yè)打賭，它肯定是一顆行星。如果我們說這是一顆位于宜居帶內(nèi)的地球大小的行星，那么我們能夠保證，人類能夠想到的所有檢驗它的手段，我們都已經(jīng)做過了。

關于行星的總數(shù)和類型，開普勒能告訴我們什么？

根據(jù)開普勒仍在增長的候選者名單，我們銀河系中包含至少1500億顆行星——也就是說，至少一半恒星都有行星相伴。3000個候選者大小不一，有比火星還小的，也有將近木星2倍大小的。個頭不到地球2倍大小的候選者約有1500個，它們很可能是巖石行星。大多數(shù)候選者類似海王星：它們是巨行星，既有巖石和冰構成的核心，也有氫和氦構成的大氣層，不適宜生命居住。不過我們預期許多“海王星”都有衛(wèi)星。有幾個研究小組正在尋找這些衛(wèi)星，因為有些衛(wèi)星可能有地球大小，足夠溫暖，可供生命居住。

你在開普勒工作的這些日子里，什么時候最開心？

我讀到那些文章的草稿，列出證據(jù)證明那些行星并非推測，也非希望，而是確實存在的時候，我最開心。比如，在我讀到“我們發(fā)現(xiàn)一顆行星圍繞一組雙星旋轉(zhuǎn)”的時候。很長一段時間里，人們不相信行星能夠圍繞雙星旋轉(zhuǎn)。我們證明，它們確實可以。我還讀到文章說發(fā)現(xiàn)了高密度的小個子行星。我們確信它們是巖石行星，就像地球或者金星。這些文章讓我實在振奮不已。

在尋找行星的過程中，你對恒星也有了更多的了解，對吧？

事實上，開普勒帶來的最大驚喜之一就是，在我們監(jiān)測的類似太陽的恒星里，有2/3在亮度方面的變化幅度都比太陽要大。我們不理解這是為什么。在137億年的宇宙中，太陽的年齡是45億年，相對年輕。我們原本預期，開普勒視野中的大多數(shù)恒星應該更老，而更老的恒星應該更安靜，變化幅度更小。但我們發(fā)現(xiàn)，它們大都相當活躍，所以我們看到的恒星或許比想象中的更年輕。

這些額外的變化特性對搜尋行星意味著什么？

這樣一來，把地球大小的行星產(chǎn)生的微弱信號從恒星的自然噪音中區(qū)分開來，就會更加困難。這意味著，我們需要觀察多于3次凌星，才能發(fā)現(xiàn)這樣一顆行星在圍繞類似太陽的恒星旋轉(zhuǎn)。我們需要至少6次觀測，實際上我覺得需要8次，才能真正確認，我們找到了地球大小的行星，正圍繞著像太陽一樣的恒星轉(zhuǎn)動。

你預計什么時候能夠宣布，你們發(fā)現(xiàn)了另一顆地球？

2012年，NASA批準我們再延期4年，一直運作到2016年。但在那之后，開普勒還得再過兩三年，才能找到我們最感興趣的行星。隨著這個項目一天一天在運作，它正變得越來越有價值。我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)非常好，但未來即將得到的數(shù)據(jù)才更令我們感興趣。未來我們將發(fā)現(xiàn)大量位于宜居帶的行星，它們到恒星的距離恰好足以維持液態(tài)水和可能的生命存在。這是一個巨大的回報。我們正在發(fā)現(xiàn)金砂，如果繼續(xù)下去，我們就能發(fā)現(xiàn)狗頭金塊。

你現(xiàn)在73歲了，還會繼續(xù)和開普勒一起工作到它的黃金時代嗎？

我好幾年前就可以退休了，退休金說不定比現(xiàn)在掙得更多。但這是一個機會，去尋找問題的答案：地球是普遍存在還是非常罕見？我為此工作了30年，我真的很想看到答案到底是什么。所以，我沒打算離開開普勒。

我們還能走多遠？即使開普勒發(fā)現(xiàn)一顆行星，它的大小以及到母星的距離都跟地球相似，我們也無法探測它的具體細節(jié)。我們怎樣才能確定，這些行星里哪一顆適宜居住，或者哪一顆上面確實存在生命？

開普勒的工作是觀測銀河系深處，告訴我們那里有什么。下一步的任務應該是觀測鄰近的恒星，確認哪些恒星有行星。歐洲空間局（ESA）正提議一個叫做柏拉圖（Plato）的項目，來做這樣的事情。NASA也有很多選擇，比如外星行星凌星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite），不過這些項目都還沒有得到資助。這一步完成后，我們必須建造更強大的望遠鏡，去檢查鄰近恒星的行星，尋找它們大氣層中的水、二氧化碳和氧氣等能證明它們可維持生命存在跡象。這些項目都會極端的昂貴，也會挑戰(zhàn)我們的技術水平。但這些任務都非常重要，值得去做。

想想還需要多么漫長的時間，我們才能真正造訪那些行星，是不是很令人沮喪？

當然啦。開普勒望遠鏡原定2006年發(fā)射，結果直到2009年才升空，這已經(jīng)讓我覺得沮喪了。但在談論最新科技項目的時候，所做的事情都是從來沒有人做過的，延誤也很正常。

在這些年NASA所完成的科學項目中，你覺得開普勒能排到什么名次？

顯而易見，開普勒是第一名。沒有什么項目能跟開普勒相比。阿波羅工程有它自己的緣起，我才把它排到跟開普勒并列第一的位置。再往下，很往下了，才會是哈勃太空望遠鏡，它拍到了一些可愛的照片，告訴我們關于宇宙結構的情況。這很有意思。但開普勒才是NASA發(fā)射過的最偉大的探測項目。