克卜勒太空望遠鏡（Kepler Mission）是美國國家航空航天局設計來發現環繞著其他恆星之類地行星的太空望遠鏡。使用NASA發展的太空光度計，在繞行太陽的軌道上，觀測10萬顆恆星的光度，檢測是否有行星凌星的現象（以凌日的方法檢測行星）。為了尊崇德國天文學家約翰內斯·克卜勒，這個任務被稱為克卜勒太空望遠鏡。克卜勒是NASA低成本的發現計畫聚焦在科學上的任務。NASA的艾美斯研究中心是這個任務的主管機關，提供主要的研究人員並負責地面系統的開發、任務的執行和科學資料的分析。
2013年5月，克卜勒空間望遠鏡的反應輪發生重大故障，無法設定望遠鏡方向，正常的觀測工作基本停止。在經過數個月的努力後，美國航天局於8月15日宣布放棄修復“克卜勒”。“克卜勒”由此結束搜尋太陽系外類地行星的主要任務，但它仍可能被用於其他科研工作。
2018年7月，由於燃料即將耗盡，克卜勒已開啟休眠模式，休眠時間將持續到2018年8月初。
2018年10月30日，美國航天局宣布，克卜勒太空望遠鏡耗盡燃料並正式退役。
基本介紹
儀器介紹,構造性能,運行軌道,任務目的,外星搜尋,探測原理,探測方式,任務詳情,任務運作,特點,構成及性能,主要里程碑,發現的新星球,放棄維修,近況,
儀器介紹
克卜勒太空望遠鏡（KEPLER）又譯為克卜勒空間望遠鏡，是世界首個用於探測太陽系外類地行星的飛行器，於美國東部時間2009年3月6日22時49分57秒465毫秒（台北時間7日11時49分57秒465毫秒），從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地17-B發射台發射升空，它將是美國宇航局發射的首顆探測類地行星的探測器。在為期至少3年半的任務期內，“克卜勒”太空望遠鏡將對天鵝座和天琴座中大約10萬個恆星系統展開觀測，以尋找類地行星和生命存在的跡象。美國航天局公布的資料顯示，“克卜勒”太空望遠鏡攜帶的光度計裝備有直徑為95厘米的透鏡，它將通過觀測行星的“凌日”現象搜尋太陽系外類地行星。
克卜勒外觀
克卜勒外觀構造性能
1、太空分光計：0.95米孔徑；
克卜勒號太空望遠鏡
克卜勒號太空望遠鏡2、主鏡：直徑1.4米，85%的中空結構；
3、CCD探測鏡：9500萬像素（42個2200x1024象素的電子耦合器）；
4、帶通：峰值半高寬為430-890毫微米；
5、動態探測範圍：9-16個星等（magnitudestars）；
6、優質制導感測器：4個電子耦合器（CCDs）定位在科學焦點平面上；
7、科學數據存儲時間：大於60天；
8、上行X波段：7.8125bps－2kbps；
9、下行X波段：10bps－16kbps；
10、下行Ka波段：最大值為4.33125Mbps；
11、除一次性裝置之外，所有機械裝置表面都有覆蓋層，主鏡有三個聚焦裝置；
12、飛行組件和裝配儀器的質量：1071公斤（預計最大值）；
13、飛行組件和裝配儀器的功率：771瓦（預計最大值）
運行軌道
運行軌道這樣選擇的另一個好處是克卜勒所指向的方向是太陽系繞著銀河系運動的中心，因此克卜勒所觀察到的恆星與銀河中心的距離大致上與太陽系是相同的，並且也都靠近銀河的盤面。這是個很重要的事實，如果星系也有適居帶的位置，就如同建議的地球殊異假說。
任務目的
一、測定在多樣性光譜型恆星適宜居住區域內部或周圍的陸地行星和大型行星數量
這一行星測定數據源自行星的數量和大小，以及被監控恆星的數量和光譜類型。即使克卜勒探測器發現這一數據為零，也具有很重要的科學意義，畢竟證實了更多數目的恆星體系經過了搜尋勘測。排除了可能出現適宜居住行星的可能性。
克卜勒太空望遠鏡中的外星
克卜勒太空望遠鏡中的外星二、測定不同體積大小行星的分布，以及行星的半長軸（semimajor axes）
測定不同體積大小行星的分布狀況主要源自觀測該行星微弱光亮的遞減度和所在恆星體系的特徵。
基於克卜勒第三定律，通過測定恆星的質量和周期年齡特徵，可進一步確定行星半長軸相應的數據資料。據悉，克卜勒第三定律的內容是：行星距離太陽越遠，行星的受力越弱，行星的加速度減小，故運行得越慢，行星的公轉周期就越長。行星半長軸還可通過地面分光鏡和恆星模型的觀測結果得出，測定行星半長軸出現的不確定因素是與所在恆星體系中中心恆星質量有關。
三、評估多恆星體系中行星的數量和行星的軌道分布狀況
這項評估可對比一對多恆星體系中發現行星系統的數量來實現，如果該多恆星體系是緊密地結合在一起，或者是可通過高角解析度觀測的較廣闊空間體系，使用地面上的分光鏡儀器便可觀測這樣的多恆星體系。
四、測定短周期巨行星的密度、質量、體積大小、反照率、半長軸
短周期巨行星可通過它們的反射光變化來探測發現，同樣，它們的半長軸測定也是源自於使用克卜勒第三定律測定恆星的質量和周期年齡特徵。
凌日行星（planetary transit）的數量占已測定一定大小行星數量的10%。在太陽系內，凌日是內行星經過太陽與地球之間，對太陽面產生部分遮擋的一種天文現象。如果這兩顆內行星的一顆恰好從地球與太陽之間經過，地球上的觀察者就會看到有一個黑點從太陽圓面通過，需時大約為一個多小時，人們把這種現象稱為凌日。對於太陽系外的恆星而言，凌日則是指該恆星的行星經過該恆星和地球的連線之間，對地球觀察者產生部分遮掩恆星的天文現象。
按照探測計畫，克卜勒探測器在探測任務的最初幾個月內將發現一定數量的短周期巨行星，並測定這些行星的大小、半長軸，通過反射光調製振幅的測定來確定其反照率，行星的密度由克卜勒探測器的分光鏡和該行星出現凌日現象時進行測定，該方法曾在測定HD209458b行星密度時使用過。
五、使用互補技術，測量每個光度角度識別發現的行星系統中額外的行星數量
使用空間干涉儀（SIM）和地面都卜勒分光鏡來搜尋未出現凌日現象的超大質量行星，進一步提供每個已探測行星系統的詳細資訊。
六、探測具有行星系統的恆星的性質特徵
科學家使用地面觀測儀器探測每個恆星的光譜類型、發光度等級和金屬性，此外，還有恆星的旋轉比率、表面亮度多相性，從光度計數據直接獲得的恆星活動性。使用克卜勒探測器震觀測儀（asteroseismology）等儀器測定恆星的年齡和質量。
未來的探測任務
基於克卜勒探測器的勘測分析結果，未來空間干涉儀（SIM）和“類地行星搜尋者號”（TPF）探測器將進行更深入的類地行星的探索發現，據悉，“類地行星搜尋者號”預定2011年升空。
在克卜勒探測器的基礎上，未來的探測任務還需要具備以下勘測條件：在日後的行星搜尋項目中識別確定主恆星的常用恆星特徵；確定需要進行搜尋的空間體積；向空間干涉儀（SIM）提供具有陸生行星體系的勘測目標列表。
外星搜尋
太陽系外行星搜尋史
年份 | 名稱 | 國家 | 成就 |
1987 | 利克-卡內基行星搜尋 | 美國 | 已經發現了幾百顆系外行星 |
1990 | 哈勃空間望遠鏡 | 美國 | 最早用直接成像法發現了北落師門周圍的行星 |
1993 | ELODIE、SOPHIE光譜儀 | 法國 | 在類太陽恆星周圍發現了第一行星 |
1998 | 英澳系外行星搜尋 | 英國、澳大利亞 | 截止2012已經發現了29顆行星 |
2002 | 麥哲倫望遠鏡 | 智利 | 截止2010已經發現9顆系外行星 |
2003 | MOST | 加拿大 | 研究行星在凌日期間的大氣變化 |
2003 | 斯皮策望遠鏡 | 美國 | 捕捉系外行星發出的紅外輻射 |
2003 | HARPS | 歐洲 | 已經發現了約150顆圍繞類太陽恆星公轉的系外行星 |
2006 | COROT | 法國 | 已經發現約20顆系外行星 |
2009 | 克卜勒望遠鏡 | 美國 | 用於搜尋類地行星 |
探測原理
克卜勒是一架太空望遠鏡，在設計上用於探測遙遠恆星以確定類地行星具有多高的普遍性。克卜勒將利用“凌日法”對行星進行間接探測。除了揭示一顆行星的存在外，這種光信號也能告訴我們這顆行星的體積以及運行軌道。在此之後，科學家將利用其它測量手段確定所發現的每一顆行星是否位於適於生命居住的區域，或者說測量這顆行星與其所繞恆星之間的距離，以確定其表面是否存在液態水。
德爾塔－2型運載火箭發射場面跟蹤示意圖
德爾塔－2型運載火箭發射場面跟蹤示意圖其探測行星的原理是：當恆星系統中的行星運行到克卜勒號與恆星之間時，由於行星的遮擋，克卜勒號光度計感測器接收到的恆星亮度會變弱。地面科學家可以根據恆星亮度的這種周期性的微弱變化來推算出行星的大小和軌道周期等數據。克卜勒望遠鏡能探測到的這種亮度微弱變化可以小到百萬分之十左右。這一技術方法已經被科學家採用了大約十年，並幫助了天文學家發現了300多顆較大的行星。而克卜勒望遠鏡將目標對準更小的行星，像地球一般大的宜居住行星，它們都圍繞其母恆星運轉。
探測方式
“凌日”是指在觀測者看來，行星從其母恆星前面經過的現象。比如在地球上可以觀測到水星凌日或金星凌日，這時人們看到太陽表面上仿佛有個小黑點在緩緩移動。同樣，觀測其他恆星系統時也會看到凌日現象，“克卜勒”便是通過相關觀測數據來計算行星的特點。
“克卜勒”可以測量凌日行星的公轉周期，據此可大致計算出行星軌道大小；“克卜勒”號還可以觀測到凌日深度（恆星亮度減弱的程度），據此計算出行星的大小。對於行星的母恆星，可以根據其光譜、光度等參數估算其質量。綜合這些數據，可以推測一顆行星是否適合生命存在。
任務詳情
克卜勒太空望遠鏡這樣選擇的另一個好處是克卜勒所指向的方向是太陽系繞著銀河系運動的中心，因此克卜勒所觀察到的恆星與銀河中心的距離大致上與太陽系是相同的，並且也都靠近銀河的盤面。這是個很重要的事實，如果星系也有適居帶的位置，就如同建議的地球殊異假說。
估計太空船的質量是1039公斤，口徑是0.95米，主鏡（在地球軌道之外最大的鏡片）1.4米，視野（FOV）有105 deg2（大約12度的直徑），大約是胳膊伸直時一個拳頭遮蔽的視野。光度計有一個柔軟的焦點提供良好的光度測量，而不是清晰的圖像。結合的光度差異精確性（CDPP，combined differential photometric precision），對一顆m（V）=12類似太陽的恆星，進行6.5小時的影像綜合是20ppm，已包括恆星本身預期可能的 10ppm光度變化。而一顆類似地球的行星凌星造成的光度變化是84ppm，而且軌道經過恆星中心時至少將持續13小時。焦平面由42個1024 X 2200的CCD組成，每個畫素的大小是27微米，是發射至太空中最大的照相機。這個陣列由一條連結到外面的熱導管來冷卻。CCD每3秒中讀出一次資料，並且可以暫留15分鐘，只有對應到有興趣目標恆星畫素的資料才會被保存，並透過遙測傳回到地面。這個任務在生命周期中，包括持3.5年的運作，估計要花費6億美金。
據美國宇航局網站最近報導，美國宇航局在搜尋系外行星方面正迎來兩個里程碑式的事件。首先持續時間長達3年半的克卜勒太空望遠鏡圓滿地完成了其主任務期；另一方面，這一功勳卓著的太空望遠鏡設備即將開始其延長任務期，該延長任務期將持續4年。
任務運作
克卜勒太空望遠鏡由外面位於科羅拉多州波爾德市的大氣和太空物理實驗室（LASP）負責運作。太陽陣列在每年位於分至點時會轉動至正對著太陽的方向，這些轉動將用來最佳化照射到陣列上的陽光，並使熱輻射器保持指向深太空的方向。同時，LASP和貝爾太空科技公司（該公司負責建造太空船和儀器）從位於科羅拉多州波爾德市的科羅拉多大學的控制中心進行操作。LASP進行基本的任務計畫和科學資料最初的收集和分發工作。
NASA每星期兩次透過X-波段的通信線路與太空船聯繫，下達指令和進行狀態更新，每個月一次使用Ka帶下載科學性的數據，傳輸的最大速率是4.33Mb/s。克卜勒太空船在船上會自己進行部分的資料分析，只在必要時才會傳送科學性的數據，以保持頻寬。
在任務期間由LASP收集的遙測科學資料會被送至位於馬里蘭州巴爾的摩約翰霍普金斯大學校園內的太空望遠鏡技術學院克卜勒數據管理中心（DMC）。這些遙測科學資料會被解碼並且處理成未校正的FITS－並由DMC格式化成科學數據產品，然後通過在NASA的艾美斯研究中心的科學操作中心（SOC）進行校正和最後的處理。SOC將送回校正和處理好的數據產品和科學結果給DMC做長期的歸檔和經由在STScl的多任務檔案（MAST）分送給世界各地的天文學家。
特點
2、在克卜勒望遠鏡三年半多的任務結束之前，它將讓我們更好地了解其它類地行星在我們銀河系到底是多還是少。這將是回答一個長久問題的關鍵一步，此問題就是：我們是宇宙中惟一的么？
3、克卜勒望遠鏡通過發現恆星亮度周期性變暗來探測太陽系外行星。 當我們從地球上某個位置來觀察天空時，如果有行星經過其母恆星的前面，就能發現此行星會導致其母恆星亮度稍微變暗。克卜勒望遠鏡更能洞悉這一情況。
5、克卜勒望遠鏡如此強大，以至於它從太空觀察地球時，能發現居住在小鎮上的人在夜裡關掉他家的門廊燈。
6、克卜勒太空望遠鏡定位在地-日系統的第二拉格朗日點，圍繞太陽運轉，所以可以全時段檢測目標天區。
7、觀測目標遠離黃道面，可避免太陽系天體掩食的干擾。
構成及性能
儀器構成及系統性能
1、太空分光計：0.95米孔徑；
2、主鏡：直徑1.4米，85%的中空結構；
3、CCD探測鏡：9500萬像素（42個2200x1024象素的電子耦合器）；
4、帶通：峰值半高寬為430-890毫微米；
儀器構成及系統性能
儀器構成及系統性能5、動態探測範圍：9-16個星等（magnitude stars）；
6、優質制導感測器：4個電子耦合器（CCDs）定位在科學焦點平面上；
7、科學數據存儲時間：大於60天；
8、上行X波段：7.8125 bps －2kbps；
9、下行X波段：10 bps－16kbps；
10、下行Ka波段：最大值為4.33125 Mbps；
11、除一次性裝置之外，所有機械裝置表面都有覆蓋層，主鏡有三個聚焦裝置；
12、飛行組件和裝配儀器的質量：1071公斤（預計最大值）；
13、飛行組件和裝配儀器的功率：771瓦（預計最大值）
主要里程碑
克卜勒空間望遠鏡是美國宇航局首個能夠搜尋圍繞類太陽恆星運行的地球大小系外行星的探測項目，其迄今經歷的重要里程碑式事件有：發生升空；發現首顆系外行星；發現質量和直徑都最小的系外行星；發現首個6行星系統；發現首個圍繞兩個太陽運行的行星；發現位於宜居帶中，圍繞一顆類太陽恆星運行的最小行星等等。
發現的新星球
克卜勒發現的新星球
Kepler 9b和Kepler 9c：克卜勒早期的第一批一系列持續發現也包括圍繞恆星Kepler-9運轉的兩顆星球。Kepler 9b和Kepler 9c是克卜勒探索任務的第一個多星球星系。這些土星大小的星球圍繞著它們母星的運轉周期大約為19天和38天。第三顆超級地球大小的星球隨後也被確認存在於這個星系中。
Kepler 9b和Kepler 9c
Kepler 9b和Kepler 9c
Kepler-10b這顆星球距離地球600光年而且半徑為地球的2.4倍，圍繞著一顆太陽一樣的恆星運轉。此外它的一年大約為290天，比我們的地球稍短。科學家們並不知道它的構成，但是如果它有大氣的話，它或許有一個巨大的海洋而且有可能的存在生命。
Kepler-22b
Kepler-22bKepler-42：
Kepler-42含有有史以來觀察到的最小太陽系。紅矮星周圍環繞著三顆比地球還小的岩石星球，最小的大約只有火星大小。所有這些行星的軌道周期都不足兩天，這就意味著它們全都太熱而無法存在任何生命。
Kepler-42
Kepler-42克卜勒22-b、69-c、62-e、62-f
體積比照圖：22-b、69-c、62-e、62-f、地球
體積比照圖：22-b、69-c、62-e、62-f、地球大小合適、位置合適”，美聯社19日發文稱，克卜勒-62行星系統距地球約1200光年，位於天琴座。在該系統中，5顆行星圍繞一顆比太陽更小、更冷、更老的恆星運行，克卜勒-62e和克卜勒-62f是其最外圍的兩顆，它們的體積分別為地球的1.6倍和1.4倍，受到的熱量輻射也只是地球的1.2倍和0.4倍，公轉周期分別為122天和267天。德國馬克斯-普朗克天文研究所科學家說，克卜勒-62e的溫度“可能就像5月的華盛頓”。研究人員猜測，這兩顆行星主要由岩石或冰構成，只有在獲得相關大氣頻譜特性後，才能清楚它們是否真的“宜居”，“如果上面有生命，肯定非常高級”。另一顆“新地球”克卜勒-69c位於克卜勒-69行星系統，在天鵝座，離地球約2700光年，體積為地球的1.7倍，公轉周期為242天，構成材質尚不確定。除此之外，這兩個行星系統的其餘4顆行星公轉周期只有十多天，意味著它們非常熱，不適合人類生存。
放棄維修
2013年5月，在搜尋系外行星方面功能最為強大的美國宇航局克卜勒空間望遠鏡發生重大故障，衛星基本停止了正常的觀測工作，如果宇航局的工程師無法及時對其進行修復，那么這項耗資6億美元的空間項目將有可能提前夭折。
2013年8月19日訊息，據美國宇航局網站報導，在經過連續數月的分析和測試之後，美國宇航局克卜勒望遠鏡項目團隊日前正式宣布放棄讓這台望遠鏡重新恢復到完全工作狀態的努力，轉而考慮在目前的不利條件下，這台望遠鏡設備還能承擔何種形式的科學任務。
克卜勒望遠鏡已經於2012年11月份完成其主要科學使命，並緊接著開始了其原計畫為期4年的計畫延長期。其主要的科學任務是搜尋太陽系之外圍繞遙遠恆星運行的系外行星體。然而由於已經無法湊齊3個反應輪維持望遠鏡的正常工作狀態，項目組決定一邊對此前已經收集的大量數據進行分析，一邊由工程師團隊嘗試對故障反應輪進行修復，同時積極考慮如果維修失敗，這台先進的空間望遠鏡是否還仍然可以承擔一些其它類型的科學任務。
近況
2013年5月15日，克卜勒空間望遠鏡由於反應輪故障，無法設定望遠鏡方向，因此被迫停止其搜尋系外行星任務。故障發生後，科學家試圖恢復望遠鏡的觀測能力，但最後的努力沒有成功，目前只有兩個反作用輪可以工作，另外兩個反作用輪在2012年和2013年出現了故障，由此克卜勒望遠鏡失去了觀測系外行星的精確度，這不僅讓美國宇航局損失了一艘觀測能力極為先進的系外行星探測器，也使得我們發現類地行星的步伐慢了下來。2013年8月18日，美國國家航空航天局表示無法修復並啟動K2任務，讓望遠鏡在地球公轉的黃道平面上即藉助太陽光子產生的作用力調整望遠鏡姿態，仍能繼續執行觀測任務。對於新賦予的K2任務，科學家認為探測器可以沿著黃道面運行，每年大約對四到五個目標天體進行深入觀測，所謂的黃道面為地球公轉的軌道平面，處於該軌道上時克卜勒望遠鏡可以獲得穩定的光壓，也就是太陽光子對探測器產生的作用力，這有助於探測器維持較好的觀測穩定度，以彌補反作用輪故障所造成的指向精度下降，但每次任務周期被限定在75天，由此每年觀測目標天體數量只能維持在4至5個。
據美國宇航局網站（NASA)訊息，台北時間2015年7月24日凌晨，天文學家確認發現首顆位於“宜居帶”上體積最接近地球大小的行星（代號為“克卜勒-452b”），這是人類在尋找另一顆地球的道路上的重要里程碑。“克卜勒-452b”的發現使已確認系外行星的數量增加到1030顆。
“宜居帶”（habitable zone）是指行星距離恆星遠近合適的區域，在這一區域內，恆星傳遞給行星的熱量適中，既不會太熱也不太冷，能夠維持液態水的存在。
2016年4月6日，克卜勒的微透鏡觀測將暫時無法啟動，除非工程師們能夠讓探測器重新開始工作。望遠鏡如今距離地球約1.2億公里，這意味著每一次往返通訊需要13分鐘。
2017年12月14日13 時，NASA 舉辦了一場電話會議，揭開了喧囂多日的克卜勒天文望遠鏡的“重大發現”，確定了距離地球2545光年遠的克卜勒90星系中的兩顆新發現的行星——克卜勒-80g 和克卜勒-90i，這是人類發現的首個和我們太陽系一樣的具有8顆行星的星系。
2018年7月，由於燃料即將耗盡，克卜勒已開啟休眠模式，剩餘不多的燃料首先要保證數據的回傳。休眠時間將持續到8月初，屆時，工程師會將它喚醒，指揮其將機載天線指向地球方向，開始回傳數據。如果一切順利，完成數據回傳後，克卜勒將利用剩餘燃料開展最後的觀測任務。
2018年10月30日，美國航天局宣布，克卜勒太空望遠鏡“退休”了，它在太空工作了9年多，發現了2662顆系外行星，其中許多行星有可能孕育生命。
