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文 | Saturn V
泉源 | 航天爱好者 ，ID：hangtianfans
编辑 | 扑克投资家，转载请注明出处
扑克导读：假如 向NASA的科学家提问关于川普总统想说点什么呢？扑克君一点不担心，估计没啥好话 。
这不 ，在2月22日，NASA公布 在距地球40光年的程度 座星系中发现了一个“天机 ”：竟然有七颗围绕 同一恒星运行的类地行星，而且大概 是拥有液态水的固体行星！
扑克君想说：纵然 讨厌川普 ，也不消 离开 地球吧！
NASA的新发现让谷歌都不禁卖起了萌，而川普当总统才1个月，NASA就发现了7星球，3个宜居 ，看得出来，NASA科学家着实 是在用举措 表现 ——I don't want to live on this planet anymore.
着实 说到这里会有人好奇了，这个名叫TRAPPIST-1的星系间隔 地球40光年 ，意味着哪怕宇宙中最快的速率 光都要走40年，NASA和JPL是怎么发现的，又是怎么正确 估算出这7颗行星的具体 数据呢？想答复 这个题目 ，要先以后 星系的名字开始提及 。
TRAPPIST天文台
TRAPPIST着实 是位于智利的Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope–South，意为“全主动 化太空望远镜”的简写，之以是 选择云云 蹩脚的简写是由于 在比利时列日利用 此望远镜的工作职员 想向比利时闻名 的修道院啤酒致敬（这都是什么和什么啊）。这座直径仅0.6米的天文望远镜在2016年5月发现有三颗围绕 单一恒星的行星 ，随后此恒星星系便被定名 为TRAPPIST-1，意指此望远镜发现的第一个星系 。
凌日法抽象图
TRAPPIST是怎样 发现有行星围绕 恒星的呢？原理很简单 ，恒星不绝 散发出光 ，围绕 它的行星会周期性拦截 此恒星射向地球的光。就像日全食时月球挡住太阳射往地球的光一样，围绕 TRAPPIST-1的行星也会拦截 TRAPPIST-1的光。天文学家通过长时间观察恒星光芒的变革 ，便可发现是否有光衰减，进而判定 是否有行星围绕 。此法在天文学上常被叫做凌日法。固然 由于恒星光芒非常 猛烈 ，体积小的行星对恒星光芒的拦截 很难观测到，届时便必要 精度更高，干扰更少且利用 差别 波段的天文望远镜了。
凌日法表示 图
地球上观测到的水星凌日（一排小斑点 就是差别 时候 的水星）
着实 若只是发现三颗围绕 TRAPPIST-1恒星的行星本身 并不奇怪 ，毕竟 发现新的行星对天文学家来说是家常便饭 。然而在通过拦截 周期盘算 出这三颗行星的围绕 轨道，进而盘算 出三颗行星的质量后，TRAPPIST望远镜的工作者们惊喜万分 。共同 上观测拦截 面积估算的行星体积 ，列日的天文学家们通过质量密度发现这三颗行星为岩质，各项数据均表明新发现的三颗行星是标准 的类地行星。此消息立即 引来了不停 致力于征采 类地行星的NASA的爱好 ，NASA于是决定调用加州理工和喷气动力实行 室（JPL）负责的斯皮策空间望远镜对TRAPPIST-1恒星举行 更过细 的观测。
发射前的斯皮策空间望远镜
和TRAPPIST望远镜的可见光波段差别 ，斯皮策空间望远镜为专职红外波段的太空望远镜 。红外波段光的波长要长于可见光，而光所开释 的能量和波长成反比，也就是说同样的初始能量下 ，红外波段光的传播 间隔 要长于可见光，衰减也就更小。同时红外波段光能穿透可见光难以穿透的宇宙尘土 ，因而非常 得当 观测太阳系外恒星。
斯皮策的相对地球位置及工作原理
撤除 观测波段的上风 外，斯皮策空间望远镜尚有 其他任何太空望远镜都没有的上风 。和围绕 近地轨道飞行的哈勃太空望远镜差别 ，斯皮策空间望远镜在位于地球公转轨道后方，一条围绕 太阳的轨道上，约莫 位置靠近 地球和太阳的L5拉格朗日点。此位置让斯皮策克制 地球的红外干扰 ，同时独特的计划 让斯皮策的红外阵列相性能 保持5.5K的温度不停 背对太阳，克制 了太阳的红外干扰。
斯皮策望远镜(左)所观测到的7个行星的光变曲线表示 图（右），凹陷的地方是由于 行星的遮挡效应
靠近 真实比例的TRAPPIST-1星系想象图（这图感觉“太阳”长了两个眼睛在一脸无辜的凝视 着小弟们）
在接到TRAPPIST-1星系的消息后 ，斯皮策空间望远镜在2016年秋日 对TRAPPIST-1恒星举行 了长达500个小时的连续 观测，得到 了充足 多的大概 的行星凌日数据 。在对这巨大 的数据举行 靠近 半年的分析后，JPL终于破解了TRAPPIST-1星系复杂的 ，由7颗类地行星围绕 一颗低温白矮星构成的星体布局 。对TRAPPIST-1恒星亮度的观测亦估算出其温度，JPL发现7颗行星中有3颗是在TRAPPIST-1恒星的宜居带内，也就是说行星外貌 温度不会过高使得水全部蒸发为水蒸气 ，亦不会过低使水全部凝固成冰。
行星宜居带，JPL超形象化的图里中心 三颗行星附近有水，外边两个行星附近是冰，近来 两个行星附近是水蒸气
7颗行星各数据与太阳系类地行星对比 。从上至下分别是围绕 周期（以地球日盘算 ） ，恒星间隔 （AU，地球至太阳均匀 间隔 ），行星半径（以地球半径盘算 ） ，行星质量（以地球质量盘算 ）
发布会视频，感谢watchthis字幕组翻译
那么在发现这些全新的类地行星后，NASA和JPL会做什么呢？假如 把TRAPPIST望远镜比做10倍放大镜 ，斯皮策太空望远镜比做100倍放大镜，接下来登场的便是1000倍放大镜了。早在2016年5月哈勃太空望远镜便利用 优于斯皮策的分辨率对TRAPPIST-1的三颗行星举行 大气观测，试图通过行星大气颜色来盘算 大气重要 因素 。不外 很痛惜 碍于近地轨道的干扰限定 ，哈勃并不是NASA所盼望 的“1000倍放大镜 ”, NASA梦寐以求 的太空望远镜如今 正在马里兰州的戈达德太空飞行中心 举行 测试。
JWST（左）和哈勃大（右）小对比
哈勃（左）和JWST（右）第一级主镜片巨细 对比，韦伯（JWST）很大概 会取得不逊于哈勃的科学成绩 ，但是从工程 、进度和经费上来讲 ，这个项目就是个劫难 。
没错，那就是詹姆斯?韦伯空间望远镜（JWST）。JWST继承 了斯皮策的红外波段，18面镀金镜面构成 直径约6.5米的主镜片为JWST提供了远超哈勃的观测精度和分辨率。除此之外JWST将会摆设 在地球和太阳的L2拉格朗日点，此点使得JWST和地球以及太阳相对静止 ，同时由于L2位于地球阔别 太阳侧，JWST可以躲在地球的阴影下最大限度克制 太阳的红外干扰 。
JWST筹划 进入围绕 图中L2处的相对稳固 轨道
NASA筹划 JWST在2018年10月由欧洲人的阿丽亚娜-5火箭在圭亚那太空中心 发射，届时对TRAPPIST-1星系的7颗类地行星举行 具体 大气观测会是JWST的紧张 目标 之一。NASA盼望 JWST能通过光谱分析出行星大气中水 ，氧气，甲烷和臭氧等的含量，进一步确定这7颗行星是否真的宜居。
NASA制作的此次7颗地生手 星发现的宣传海报 。由于这7颗行星围绕 轨道较为靠近 ，在此中 一颗的地表上可以看到别的 6颗的全貌。（也就是说图中的情况 在这些星球上是真的）衷心盼望 海报里形貌 的行星“跳跃”的星际殖民期间 ，能有一天成为实际 。
在报告 TRAPPIST-1星系时，提到了斯皮策太空望远镜靠近 于地日L5点 ，以及韦伯太空望远镜预计进入的地日L2点的围绕 轨道 。很多 小搭档 们便问道这个L点到底代表着什么，有什么特别 的意义，为什么造价几十亿美金的天文望远镜非要前去 这个点的轨道。接下来就让我们来表明 下这看似不愠不火 ，实则有着非凡意义和用处的L点。
L1-L5点的相对位置图
认识 的感觉，认识 的味道！挖你的员工，抄你的火箭！贝光头果然是商海老油条，这场采取 火箭的大戏越来越悦目 了 。而孤独的SpaceX终于有了门生 ！一个相爱相杀的门生 ！
地月L点相对间隔
L点是英文Lagrange Point的简写 ，中文常译为拉格朗日点，或称平动点Liberation Point，总而言之离不开L。拉格朗日点着实 在日本动漫 ，尤其是科幻的高达系列（一部闻名 的近将来 科幻配景 的系列动画作品，国内又译“敢达”，台湾地区 译为“钢弹 ” ，主页菌注）中常常 出现。在如今 被称为“始祖高达”的第一部高达《机动兵士 高达0079》中，作为反派的吉翁公国的大本营，Side 3大型殖民空间站便是在围绕 地月L2点的稳固 轨道中。
在高达0079的宇宙纪元里 ，全部 的太空殖民空间站均位于地月L点宇域
而在《高达S.E.E.D》中的P.L.A.N.T.则更加宏伟 ，120座60千米长的大型殖民空间站群建在地月L5宇域 。哪怕到更靠近 实际 的《高达00》中，依然可以看到位于地月L4和L5的大型殖民空间站。
高达S.E.E.D ，C.E.纪元中位于地月L5的沙漏型空间站集群
高达00系列中公元2312年创建 的位于L4的殖民卫星“光辉 ”，用以开采重定向后的小行星里的贵金属
高达系列中反复 将能容乃上万以致 上百万生齿 的空间站放置在拉格朗日点是有缘故起因 的，5个拉格朗日点的特性使其非常得当 放置大型人造物体而不消 担心轨道调解 和维持题目 。究竟 上在美国连合 发射同盟 （ULA）公布的将来 30年的太空筹划 中都可看到拉格朗日点的身影 。
ULA地月太空筹划 图。第三幅图中标示的EML-1及地月L1点（Earth-Moon Liberation Point-1）认识 英文的小搭档 估计已经发现，Lagrange这个拼写并不是英文。没错 ，拉格朗日点是以法国籍意大利裔数学家和天文学家约瑟夫?拉格朗日定名 ，对于学习天文学和当代 力学的人来说，拉格朗日的名字可谓如雷贯耳 ，拉格朗日方程可谓是当代 力学的核心 ，为后续的天体力学和分析力学奠定 了底子 。
约瑟夫?拉格朗日
1736年1月25日出生在意大利都灵的拉格朗日在年仅19岁时便因出色 的数学天赋被时任普鲁士科学院数学部主任的欧拉所欣赏 ，被任命为都灵皇家炮兵学校传授 ，开始举行 数学研究。1766年仅30岁的拉格朗日成为普鲁士科学院数学部主任，保举 他的正是他的博士导师，上任数学部主任欧拉。要知道这位欧拉可不是一样平常 人 ，莱昂哈德?欧拉是近代数学先驱之一，如今 耳熟能详的数学常数e正是为怀念 欧拉（Euler）而选 。
拉格朗日改变天下 的著作Mécanique Analytique（分析力学）
在拉格朗日一生诸多成绩 当中，对天文学的最大贡献莫过于对限定 性三体题目 的研究以及提出的5个特别 解 ，后人为怀念 拉格朗日将这5个特别 解以他的名字定名 ，拉格朗日点因此而来。看过刘慈欣科幻小说“三体“的都知道，三体题目 是指三个质量在相互之间万有引力的作用下的活动 规律题目 。固然 此题目 已被证明 无解，但假如 加上“此中 一个质量过小而无法对剩余两个质量造成影响”这个限定 后 ，限定 性三体题目 便有了特别 解 。1767年欧拉，也就是拉格朗日的导师，推算出旋转的二体引力场有三个特别 点 ，假如 放入第三个物体可以使其与前两个物体相对静止。欧拉发现的这三个位于两个大质量物体轴线上的点，便是日后的L1，L2和L3。
限定 性三体题目 图示 ，欧拉发现的点均在上图的X-轴上。M和M1，M2比质量过小而不影响M1和M2的活动 轨迹 。M1，M2可为地球和玉轮 ，也可为地球和太阳，因而涉及地球的拉格朗日点着实 有两组。
1772年拉格朗日在欧拉的底子 上进一步推算出别的 两个不在两个大质量物体轴线上的点，及日后的L4和L5。拉格朗日进一步证明 L1 ，L2，L3均为单向不稳固 均衡 点，及假如 有物体在上述三个均衡 点，任何垂直于轴线的移动都会被推回均衡 点（Y-轴移动） ，但平行于轴线的移动则会使该物体敏捷 离开 均衡 点（X-轴移动） 。与之相反L4和L5是稳固 均衡 点，及在这两个均衡 点的物体，任何方向的移动都会被推回均衡 点 ，进而能不停 保持此物体和两个大质量物体的相对位置。
地球和太阳的引力势能表示 图（非真实比例）。拉格朗日的推算简而言之是以能量而不是力为底子 ，盘算 出两个质量的引力势能方程，通过微积分求出此方程的极值 ，再通过二阶导数判定 此极值为高值（不稳固 均衡 ），低值（稳固 均衡 ），还是 拐点（单向不稳固 均衡 ） 。
根据拉格朗日的理论 ，L1，L2和L3三点因不稳固 不会存在天然 形成的天体，但L4和L5上则会存在。随后的太空观测证明 了此理论 ，土卫三（Tethys）和土星的L4点有土卫十三（Telesto），L5点则有土卫十四（Calypso）。土卫四（Dione）和土星的L4点有土卫十二（Helene），L5点则有土卫三十四（Polydeuces） 。2010年天文学家在地日L4点上发现了小行星2010TK7，是人类发现的第一颗和地球共用公转轨道的小行星。
2010TK7的轨道（绿线）。由于太阳系其他星体引力的影响2010TK7会围绕 地日L4点做周期性活动 ，不外 其公转周期依然是不多不少恰好 1.00地球年 。
从2010TK7上看地球和月球
拉格朗日点的天然 能量稳固 让进入此点的太空飞行器可只需少量，乃至 不必要 燃料便可维持自身轨道。对于大型以致 巨型空间站来说，地日和地月拉格朗日点 ，尤其是L4，L5两个稳固 均衡 点无疑是最佳选择。与之相比如今 最大的太空办法 ，全重约莫 420余吨的国际空间站每年要斲丧 近3.7吨燃料维持轨道 ，同时还必要 航天飞机，ATV飞船和进步货运飞船定期助推升轨。
正在举行 升轨作业的“奋进 ”号航天飞机
可以看到每一次升轨点火后国际空间站的高度会忽然 增长 ，之后又渐渐 低落 ，这是由于 400余千米高度仍旧 有少量大气阻尼，致使国际空间站减速 。
这里不得不转头 敬佩 下高达系列动画设定的严谨性。0079中乃至 还原了Side 3围绕 L2点的稳固 轨道，这是由于 如前文所示L2为单向不稳固 均衡 点 ，因而人造卫星必要 横向围绕 L2点以保持纵向均衡 ，此围绕 轨道在天文学上被称为利萨如轨道。
S.E.E.D中大量的P.L.A.N.T.殖民卫星群近间隔 围绕 同一 轨道显然太过伤害 ，于是便将放在绝对均衡 的L5点 。L4和L5两点同样得当 放置小行星，于是高达00里负责开采小行星贵重金属资源的人造卫星便悉数位于L4和L5。
以拉格朗日理论画出的地月等引力势能图。和高达0079中的殖民舆图 相比便会发现位于L4的Side 2 ，6和位于L5的Side 1，4的围绕 轨道都正幸亏 L4和L5最外缘的等势能线上（图中L4，L5蓝色三角处） ，构思奇妙 不得不平 。
对于太空望远镜等无人探测器来说，拉格朗日点带来的不但 是易于举行 观测的稳固 轨道，差别 拉格朗日点特别 的位置还为探测器提供了独一无二的太空环境 。日本的飞天号月球探测器利用 地月L4和L5的天然 均衡 ，仅斲丧 少量燃料便进入月球轨道。不外 地月拉格朗日点远没有地日拉格朗日点位置特别 ，以是 如今 没有任何探测器在任何地月拉格朗日点工作 。
LISA进入地日L1点的轨道及围绕 L1点的轨道表示 图。
由于地日L1点介于地球和太阳之间，阔别 地球可克制 地球磁场对太阳风的干扰 ，因而地日L1点非常得当 研究太阳风并为地球提供太阳风预警，NASA负责收罗 太阳风粒子的劈头 号便曾摆设 在此。作为利用 最充实 的地日拉格朗日点，地日L1点如今 有5个探测器 ，分别为WIND太阳风探测器，太阳和太阳圈探测器（SOHO），先辈 因素 太阳风预警探测器(ACE)，深安定 球环境 观测器(DSCOVR)和激光干涉空间天线开路者号(LISA) 。这此中 DSCOVR为深安定 球观测卫星 ，LISA为太空引力波望远镜的技能 实行 卫星。
进入地日L2点利萨如轨道的表示 图
地日L2点则恰好 和L1点相反。由于位于地球背对太阳一侧且相对静止，地球会不停 拦截 地日L2点的阳光，这使得L2点成为很多 必要 躲避太阳光干扰的探测器的行止 。NASA的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和ESA的赫歇尔空间望远镜（FIRST）都先后在地日L2点工作 ，中国的嫦娥二号探测器也曾短暂在地日L2点停顿 。如今 仅有ESA的盖亚空间望远镜（Gaia）在围绕 L2点的利萨如轨道上工作，不外 很快韦伯太空望远镜会去找它作伴。
韦伯太空望远镜预计进入地日L2点的飞行轨道。
地日L3点是间隔 地球最远的拉格朗日点，恰好 位于地球公转轨道另一端的L3点被太阳完全拦截 ，因而无法观测和通讯 。外加上天然 的不稳固 均衡 ，地日L3点并无利用 代价 。
斯皮策太空望远镜围绕 太阳的“漫漫长路”
地日L4和L5点固然 是最好的天然 稳固 均衡 点，但因间隔 地球较远 ，以现阶段科技难以有效 利用 。撤除 前文中提及的2010TK7小行星及大概 的其他小行星或星云外，并无任何人造物体在L4和L5点 。此中 曾比力 靠近 的为斯皮策太空望远镜（靠近 L5），日地关系观测器-A(STEREO-A ，靠近 L4)和日地关系观测器-B(STEREO-B，靠近 L5)，这三位都是在本身 的环太阳轨道上短暂擦过 了L4大概 L5。
在地球一前一后拍摄3D太阳照片的双子探测器STEREO，留意 图中也标出了前文中提及的位于地日L1点的SOHO太阳探测器。
1813年4月10日 ，77岁高龄约瑟夫?拉格朗日在巴黎的家中去世，随后被葬在法国巴黎的先贤祠 。作为法国科学界三L之一的拉格朗日，直到死之前都还在修改美满 本身 的闻名 著作“分析力学”。200余年后的本日 ，以拉格朗日理论为底子 的拉格朗日点空间站也终于进入规划日程。大概 对这位数学和天文学天才最好的致敬，便是在以他定名 的均衡 点，完成他曾经仰望 星空却想都不敢想的愿望 。
有朝一日 ，此图可否 成为实际 ？
【完】
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