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文 | Saturn V
来源 | 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：
如果向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宣布在距地球40光年的水平座星系中发现了一个“天机”：竟然有七颗环绕同一恒星运行的类地行星，而且可能是拥有液态水的固体行星！
扑克君想说：即使讨厌川普，也不用离开地球吧！
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科学家其实是在用行动表示——
I don't want to live on this planet anymore.
其实说到这里会有人好奇了，这个名叫TRAPPIST-1的星系距离地球40光年，意味着哪怕宇宙中最快的速度光都要走40年，NASA和JPL是怎么发现的，又是怎么精确估算出这7颗行星的具体数据呢？想回答这个问题，要先从此星系的名字开始说起。
TRAPPIST天文台
TRAPPIST其实是位于智利的Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope–South，意为“
全自动化太空望远镜
”的简写，
之所以选择如此蹩脚的简写是因为在比利时列日操纵此望远镜的工作人员想向比利时著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月发现有三颗环绕单一恒星的行星，随后此恒星星系便被命名为TRAPPIST-1，意指此望远镜发现的第一个星系。
凌日法抽象图
TRAPPIST是如何发现有行星环绕恒星的呢？原理很简单，恒星不断散发出光，环绕它的行星会周期性阻挡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，环绕TRAPPIST-1的行星也会阻挡TRAPPIST-1的光。天文学家通过长时间观察恒星光芒的变化，便可发现是否有光衰减，进而判断是否有行星环绕。此法在天文学上常被叫做凌日法。当然由于恒星光芒十分强烈，体积小的行星对恒星光芒的阻挡很难观测到，届时便需要精度更高，干扰更少且使用不同波段的天文望远镜了。
凌日法示意图
地球上观测到的水星凌日（一排小黑点就是不同时刻的水星）
其实若只是发现三颗环绕TRAPPIST-1恒星的行星本身并不新鲜，毕竟发现新的行星对天文学家来说是家常便饭。然而在通过阻挡周期计算出这三颗行星的环绕轨道，进而计算出三颗行星的质量后，TRAPPIST望远镜的工作者们惊喜万分。配合上观测阻挡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。此消息立即引来了一直致力于搜寻类地行星的NASA的兴趣，NASA于是决定调用加州理工和喷气动力实验室（JPL）负责的斯皮策空间望远镜对TRAPPIST-1恒星进行更细致的观测。
发射前的斯皮策空间望远镜
和TRAPPIST望远镜的可见光波段不同，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，而光所释放的能量和波长成反比，也就是说同样的初始能量下，红外波段光的传播距离要长于可见光，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埃，因而十分适合观测太阳系外恒星。
斯皮策的相对地球位置及工作原理
除去观测波段的优势外，斯皮策空间望远镜还有其他任何太空望远镜都没有的优势。和环绕近地轨道飞行的哈勃太空望远镜不同，斯皮策空间望远镜在位于地球公转轨道后方，一条环绕太阳的轨道上，大约位置接近地球和太阳的L5拉格朗日点。此位置让斯皮策避免地球的红外干扰，同时独特的设计让斯皮策的红外阵列相机能保持5.5K的温度一直背对太阳，避免了太阳的红外干扰。
斯皮策望远镜(左)所观测到的7个行星的光变曲线示意图（右），凹陷的地方是因为行星的遮挡效应
接近真实比例的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注视着小弟们）
在接到TRAPPIST-1星系的消息后，斯皮策空间望远镜在2016年秋天对TRAPPIST-1恒星进行了长达500个小时的连续观测，获得了足够多的可能的行星凌日数据。在对这庞大的数据进行接近半年的分析后，JPL终于破解了TRAPPIST-1星系复杂的，由7颗类地行星环绕一颗低温白矮星构成的星体结构。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，也就是说行星表面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超形象化的图里中间三颗行星附近有水，外边两个行星附近是冰，最近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。从上至下分别是环绕周期（以地球日计算），恒星距离（AU，地球至太阳平均距离），行星半径（以地球半径计算），行星质量（以地球质量计算）
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？如果把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的三颗行星进行大气观测，试图通过行星大气颜色来计算大气主要成分。不过很可惜碍于近地轨道的干扰限制，哈勃并不是NASA所期望的“1000倍放大镜”,
NASA梦寐以求的太空望远镜现在正在马里兰州的戈达德太空飞行中心进行测试。
JWST（左）和哈勃大（右）小对比
哈勃（左）和JWST（右）第一级主镜片大小对比，韦伯（JWST）很可能会取得不逊于哈勃的科学成就，但是从工程、进度和经费上来讲，这个项目就是个灾难。
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面镀金镜面组成直径约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将会部署在地球和太阳的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位于地球远离太阳侧，JWST可以躲在地球的阴影下最大限度避免太阳的红外干扰。
JWST计划进入环绕图中L2处的相对稳定轨道
NASA计划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颗类地行星进行详细大气观测会是JWST的重要目标之一。NASA希望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颗地外行星发现的宣传海报。由于这7颗行星环绕轨道较为接近，在其中一颗的地表上可以看到其余6颗的全貌。（也就是说图中的景象在这些星球上是真的）衷心希望海报里描述的行星“跳跃”的星际殖民时代，能有一天成为现实。
在讲述TRAPPIST-1星系时，提到了斯皮策太空望远镜接近于地日L5点，以及韦伯太空望远镜预计进入的地日L2点的环绕轨道。
很多小伙伴们便问道这个L点到底代表着什么，有什么特殊的意义，为什么造价几十亿美金的天文望远镜非要前往这个点的轨道。
接下来就让我们来解释下这看似不愠不火，实则有着非凡意义和用处的L点。
L1-L5点的相对位置图
熟悉的感觉，熟悉的味道！挖你的员工，抄你的火箭！贝光头果然是商海老油条，这场回收火箭的大戏越来越好看了。而孤独的SpaceX终于有了学生！一个相爱相杀的学生！
地月L点相对距离
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。拉格朗日点其实在日本动漫，尤其是科幻的高达系列（一部著名的近未来科幻背景的系列动画作品，国内又译“敢达”，台湾地区译为“钢弹”，主页菌注）中经常出现。
在现在被称为“始祖高达”的第一部高达《机动战士高达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环绕地月L2点的稳定轨道中。
在高达0079的宇宙纪元里，所有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。哪怕到更接近现实的《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年建立的位于L4的殖民卫星“辉煌”，用以开采重定向后的小行星里的贵金属
高达系列中屡屡将能容乃上万乃至上百万人口的空间站放置在拉格朗日点是有原因的，5个拉格朗日点的特性使其非常适合放置大型人造物体而不用担心轨道调整和维持问题。事实上在美国联合发射联盟（ULA）公布的未来30年的太空计划中都可看到拉格朗日点的身影。
ULA地月太空计划图。第三幅图中标示的EML-1及地月L1点（Earth-Moon Liberation Point-1）熟悉英文的小伙伴估计已经发现，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•拉格朗日命名，对于学习天文学和现代力学的人来说，拉格朗日的名字可谓如雷贯耳，拉格朗日方程可谓是现代力学的核心，为后续的天体力学和分析力学奠定了基础。
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赏识，被任命为都灵皇家炮兵学校教授，开始进行数学研究。1766年仅30岁的拉格朗日成为普鲁士科学院数学部主任，推荐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般人，莱昂哈德•欧拉是近代数学先驱之一，现在耳熟能详的数学常数e正是为纪念欧拉（Euler）而选。
拉格朗日改变世界的著作Mécanique Analytique（分析力学）
在拉格朗日一生诸多成就当中，对天文学的最大贡献莫过于对限制性三体问题的研究以及提出的5个特殊解，后人为纪念拉格朗日将这5个特殊解以他的名字命名，拉格朗日点因此而来。看过刘慈欣科幻小说“三体“的都知道，三体问题是指三个质量在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。虽然此问题已被证明无解，但如果加上“其中一个质量过小而无法对剩余两个质量造成影响”这个限制后，限制性三体问题便有了特殊解。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殊点，如果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。
限制性三体问题图示，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的运动轨迹。M1，M2可为地球和月亮，也可为地球和太阳，因而涉及地球的拉格朗日点其实有两组。
1772年拉格朗日在欧拉的基础上进一步推算出另外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均为单向不稳定平衡点，及如果有物体在上述三个平衡点，任何垂直于轴线的移动都会被推回平衡点（Y-轴移动），但平行于轴线的移动则会使该物体迅速离开平衡点（X-轴移动）。与之相反L4和L5是稳定平衡点，及在这两个平衡点的物体，任何方向的移动都会被推回平衡点，进而能一直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示意图（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基础，计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，再通过二阶导数判断此极值为高值（不稳定平衡），低值（稳定平衡），还是拐点（单向不稳定平衡）。
根据拉格朗日的理论，L1，L2和L3三点因不稳定不会存在天然形成的天体，但L4和L5上则会存在。随后的太空观测证实了此理论，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会环绕地日L4点做周期性运动，不过其公转周期依然是不多不少正好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定让进入此点的太空飞行器可只需少量，甚至不需要燃料便可维持自身轨道。对于大型乃至巨型空间站来说，地日和地月拉格朗日点，尤其是L4，L5两个稳定平衡点无疑是最佳选择。与之相比现在最大的太空设施，全重大约420余吨的国际空间站每年要消耗近3.7吨燃料维持轨道，同时还需要航天飞机，ATV飞船和进步货运飞船定期助推升轨。
正在进行升轨作业的“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突然增加，之后又逐渐降低，这是因为400余千米高度仍然有少量大气阻尼，致使国际空间站减速。
这里不得不回头佩服下高达系列动画设定的严谨性。0079中甚至还原了Side 3环绕L2点的稳定轨道，这是因为如前文所示L2为单向不稳定平衡点，因而人造卫星需要横向环绕L2点以保持纵向平衡，此环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.殖民卫星群近距离环绕统一轨道显然太过危险，于是便将放在绝对平衡的L5点。L4和L5两点同样适合放置小行星，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中的殖民地图相比便会发现位于L4的Side 2，6和位于L5的Side 1，4的环绕轨道都正好在L4和L5最外缘的等势能线上（图中L4，L5蓝色三角处），构思巧妙不得不服。
对于太空望远镜等无人探测器来说，拉格朗日点带来的不仅是易于进行观测的稳定轨道，不同拉格朗日点特殊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的天然平衡，仅消耗少量燃料便进入月球轨道。不过地月拉格朗日点远没有地日拉格朗日点位置特殊，所以现在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点的轨道及环绕L1点的轨道示意图。
由于地日L1点介于地球和太阳之间，远离地球可避免地球磁场对太阳风的干扰，因而地日L1点非常适合研究太阳风并为地球提供太阳风预警，NASA负责采集太阳风粒子的起源号便曾部署在此。作为利用最充分的地日拉格朗日点，地日L1点现在有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），先进成分太阳风预警探测器(ACE)，深空地球环境观测器(DSCOVR)和激光干涉空间天线开路者号(LISA)。这其中DSCOVR为深空地球观测卫星，LISA为太空引力波望远镜的技术实验卫星。
进入地日L2点利萨如轨道的示意图
地日L2点则正好和L1点相反。由于位于地球背对太阳一侧且相对静止，地球会一直阻挡地日L2点的阳光，这使得L2点成为许多需要躲避太阳光干扰的探测器的去处。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点停留。现在仅有ESA的盖亚空间望远镜（Gaia）在环绕L2点的利萨如轨道上工作，不过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点是距离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点被太阳完全阻挡，因而无法观测和通讯。外加上天然的不稳定平衡，地日L3点并无利用价值。
斯皮策太空望远镜环绕太阳的“漫漫长路”
地日L4和L5点虽然是最好的天然稳定平衡点，但因距离地球较远，以现阶段科技难以有效利用。除去前文中提及的2010TK7小行星及可能的其他小行星或星云外，并无任何人造物体在L4和L5点。其中曾比较接近的为斯皮策太空望远镜（接近L5），日地关系观测器-A(STEREO-A，接近L4)和日地关系观测器-B(STEREO-B，接近L5)，这三位都是在自己的环太阳轨道上短暂掠过了L4或者L5。
在地球一前一后拍摄3D太阳照片的双子探测器STEREO，注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完善自己的著名著作“分析力学”。200余年后的今天，以拉格朗日理论为基础的拉格朗日点空间站也终于进入规划日程。或许对这位数学和天文学天才最好的致敬，便是在以他命名的平衡点，完成他曾经仰望星空却想都不敢想的愿望。
有朝一日，此图能否成为现实？
【完】
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