文/李會超

▲ TESS通過凌日法尋找系外行星藝術(shù)概念圖

2018年4月28日，美國宇航局的又一顆科學(xué)探測衛(wèi)星TESS由太空探索技術(shù)公司的獵鷹9號火箭發(fā)射升空，開始了它探索未知世界的征程。TESS衛(wèi)星的全稱為凌日系外行星勘測衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite），這個全稱已經(jīng)揭示了TESS衛(wèi)星的功能和實現(xiàn)途徑：通過凌日法尋找其他恒星周圍的行星。

進(jìn)行巡天觀測的行星普查員

長久以來，人們希望在茫茫太空中能覓得知音，發(fā)現(xiàn)與人類文明相似的外星文明和外星人。在太空中，唯一可能產(chǎn)生智慧文明的天體是行星，因此尋找外星文明的第一步就是找到圍繞除太陽以外的其他恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星。在TESS任務(wù)之前，美國宇航局的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡首先承擔(dān)了這項任務(wù)，并取得了巨大的收獲：在太空9年的觀測中，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡總共確定了2300顆系外行星的存在，還將4500個天體列入了潛在的系外行星范疇。在2009年開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之前，人們對存在行星系統(tǒng)的恒星數(shù)量占總恒星數(shù)量的比例還不確定，因此，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的一項工作就是確定行星是否廣泛存在于其他恒星周邊。隨著開普勒望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的分析和獲取，天文學(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)太空中幾乎到處都有行星存在。在太陽系中，不存在個頭介于地球和海王星之間的行星，但在其他恒星周邊這樣的行星卻有不少。這表明，宇宙實際上是個行星的大寶庫。

然而，開普勒計劃也有它的局限性?！伴_普勒”的設(shè)計能夠使它觀測到距離地球500光年～1500光年范圍內(nèi)的系外行星。但在地球附近觀測這個范圍內(nèi)的恒星時，恒星的光芒過于暗弱，無法使用其他觀測設(shè)備進(jìn)行后續(xù)的觀測工作。而TESS則將自己的視野收回到距離地球30光年～300光年的范圍內(nèi)，所要觀測的恒星比開普勒空間望遠(yuǎn)鏡觀測的亮30到100倍。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的觀測局限在了一塊比較小的天區(qū)中，僅占整個天球的4%。在證實了系外行星的普遍存在后，天文學(xué)家們希望TESS能夠?qū)μ罩械南低庑行莵硪淮螐氐椎拇笃詹?，通過巡天觀測的方式對85%的天球進(jìn)行掃描，為今后數(shù)十年的系外行星研究提供一個充足的樣本庫。為了完成這個任務(wù)，TESS上裝備了4臺寬視場CCD相機(jī)，每臺相機(jī)由包含7個光學(xué)組件的鏡頭和4個CCD感光元件構(gòu)成。在觀測時，每臺相機(jī)能夠覆蓋24度×24度的一個天區(qū)，而四臺望遠(yuǎn)鏡就可以共同覆蓋96度×24度的天區(qū)。對于每個天區(qū)的觀測會持續(xù)27天，完成后，TESS會變化自己的觀測方向，將自己指向另一個96度×24度的天區(qū)。這樣，在兩年之中，TESS總共可以觀測26個這樣的區(qū)域，幾乎覆蓋了全部的天球。

TESS發(fā)現(xiàn)系外行星使用的方法為“凌日法”。從地球看去，圍繞恒星公轉(zhuǎn)的行星會不時遮擋在恒星前面，地球附近觀測到的恒星亮度會因為行星的遮擋而發(fā)生變化。一旦觀測到恒星亮度的這種變化，就可以認(rèn)為恒星周圍可能存在行星。在TESS觀測過程中，會每隔兩分鐘記錄一次每顆目標(biāo)天體的亮度，從而得到天體亮度隨時間變化的信息，識別出有凌日現(xiàn)象發(fā)生的恒星。

前所未有的軌道方案

TESS屬于美國“探測者”計劃中的中級衛(wèi)星，美國宇航局對每個這個級別的科學(xué)探測衛(wèi)星設(shè)置了1.8億美元的總預(yù)算限制。由于預(yù)算有限，TESS的總重僅375千克，在軌道科學(xué)·ATK公司的LEOSTAR-2衛(wèi)星平臺的基礎(chǔ)上建造。雖然TESS擁有4個可以維持衛(wèi)星軌道的推進(jìn)器，但由于衛(wèi)星總重的限制，無法攜帶大量燃料供維持軌道使用。這樣，TESS必須工作在一條非常穩(wěn)定的軌道上，才能保證為期兩年的觀測任務(wù)的完成。此外，要完成凌日觀測任務(wù)，還要求軌道上干擾觀測的雜散光水平盡量的低。

最終，工程師們?yōu)門ESS選擇了一條從未在之前的航天任務(wù)中使用過的軌道。這條軌道的近地點(diǎn)位于17個地球半徑，高于大部分通信衛(wèi)星工作的同步軌道；遠(yuǎn)地點(diǎn)位于58.7個地球半徑附近，接近月球公轉(zhuǎn)軌道。這條軌道的周期為13.7天，剛好是月球繞地球公轉(zhuǎn)周期的一半，因此也被稱為P/2月球共振軌道。這條軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)上的雜散光水平比近地軌道低好幾個量級，衛(wèi)星外部的熱環(huán)境也相當(dāng)穩(wěn)定，可以給CCD的恒溫工作提供良好的條件。而衛(wèi)星到達(dá)近地點(diǎn)時，則可以利用美國宇航局的深空探測網(wǎng)絡(luò)，將存儲的觀測數(shù)據(jù)傳回地面。

▲ TESS搭乘獵鷹9號火箭升空

▲ 在廠房中測試

在500公里到58000公里的高度范圍內(nèi)，來自太陽風(fēng)的高能粒子被地球磁場束縛，在兩極間來回震蕩，形成了一個高能粒子通量水平很高的區(qū)域。空間天氣學(xué)家們將這個區(qū)域稱為范·艾倫輻射帶，以紀(jì)念發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域的物理學(xué)家范·艾倫。有趣的是，發(fā)現(xiàn)這個輻射帶所使用的數(shù)據(jù)，來自于TESS所屬的“探測者計劃”中的第一顆衛(wèi)星“探測者1號”。然而，由于高能粒子可能對衛(wèi)星正常工作帶來致命性的影響，TESS在工作時卻要盡量避開這個區(qū)域。P/2月球共振軌道的近地點(diǎn)已經(jīng)徹底遠(yuǎn)離了范·艾倫輻射帶，因此TESS在進(jìn)行科學(xué)觀測時無需擔(dān)心輻射對衛(wèi)星的影響。

P/2月球共振軌道最可貴的性質(zhì)，在于其十分出眾的穩(wěn)定性。如果衛(wèi)星入軌的時機(jī)掌握得當(dāng)，使衛(wèi)星位于遠(yuǎn)地點(diǎn)時，衛(wèi)星與地球的連線和月球與地球的連線間的夾角總為90度，則地球和月球引力給軌道帶來的擾動幾乎為0。一旦衛(wèi)星成功入軌，可在軌道上穩(wěn)定工作數(shù)十年，幾乎不需要消耗燃料進(jìn)行軌道維持。在發(fā)射過程中，獵鷹9號火箭首先將TESS送入一條近地點(diǎn)高度200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度27000公里的轉(zhuǎn)移軌道，之后，TESS至少打開發(fā)動機(jī)5次，將自己送入飛掠月球的軌道。在月球引力的幫助和自身發(fā)動機(jī)的作用下，TESS最后會在發(fā)射60天左右之后進(jìn)入預(yù)定的工作軌道。

其他觀測設(shè)備的后續(xù)觀測

天文學(xué)家們估計，TESS在軌工作的兩年中，有望發(fā)現(xiàn)約兩萬顆系外行星，其中約50顆的大小與地球相仿，約500顆的半徑在地球半徑的兩倍以內(nèi)。從TESS的數(shù)據(jù)中，科學(xué)家們可以確定系外行星的存在，并判斷出其公轉(zhuǎn)軌道參數(shù)和相對于主恒星的大小。對于系外行星研究，這幾項信息還遠(yuǎn)不夠充分，但美國宇航局賦予TESS的任務(wù)是系外行星的普查，而不是精確探測。通過TESS大范圍的巡天觀測，天文學(xué)家們將獲取一個系外行星的大列表，并可以從中選出最具科學(xué)研究價值的系外行星，由地基大型望遠(yuǎn)鏡或哈勃等空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行進(jìn)一步觀測。當(dāng)該局的新一代空間望遠(yuǎn)鏡詹姆斯·韋伯在2020年上天后，也將加入系外行星的精細(xì)觀測工作中。

▲ 裝有TESS空間望遠(yuǎn)鏡的整流罩出廠

某一系外行星質(zhì)量、密度、組分如何？它是和地球、火星相似的巖態(tài)行星還是和木星、土星相似的氣態(tài)巨星？它所在的星系中是否存在復(fù)雜的行星相互作用？它是否有可能孕育生命？這些問題都可以通過大型望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)精細(xì)觀測回答。在TESS之后，歐空局將發(fā)射系外行星特征衛(wèi)星（CHEOPS），精確測定系外行星的半徑。而美國宇航局將發(fā)射寬視場紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（WRIRST），這個望遠(yuǎn)鏡的一個功能是發(fā)現(xiàn)軌道周期長、存在行星盤的系外行星。這些任務(wù)將和TESS一道，共同推進(jìn)我們對系外行星的探索和理解。