TESS：系外行星普查員

文/李會超

▲ TESS通過凌日法尋找系外行星藝術概念圖

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

進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，發現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轉的行星。在TESS任務之前，美國宇航局的開普勒空間望遠鏡首先承擔了這項任務，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年開普勒空間望遠鏡發射之前，人們對存在行星系統的恒星數量占總恒星數量的比例還不確定，因此，開普勒空間望遠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。隨著開普勒望遠鏡數據的分析和獲取，天文學家們驚訝地發現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。“開普勒”的設計能夠使它觀測到距離地球500光年～1500光年范圍內的系外行星。但在地球附近觀測這個范圍內的恒星時，恒星的光芒過于暗弱，無法使用其他觀測設備進行后續的觀測工作。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，所要觀測的恒星比開普勒空間望遠鏡觀測的亮30到100倍。

開普勒空間望遠鏡的觀測局限在了一塊比較小的天區中，僅占整個天球的4%。在證實了系外行星的普遍存在后，天文學家們希望TESS能夠對太空中的系外行星來一次徹底的大普查，通過巡天觀測的方式對85%的天球進行掃描，為今后數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，TESS上裝備了4臺寬視場CCD相機，每臺相機由包含7個光學組件的鏡頭和4個CCD感光元件構成。在觀測時，每臺相機能夠覆蓋24度×24度的一個天區，而四臺望遠鏡就可以共同覆蓋96度×24度的天區。對于每個天區的觀測會持續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。這樣，在兩年之中，TESS總共可以觀測26個這樣的區域，幾乎覆蓋了全部的天球。

TESS發現系外行星使用的方法為“凌日法”。從地球看去，圍繞恒星公轉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生變化。一旦觀測到恒星亮度的這種變化，就可以認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，識別出有凌日現象發生的恒星。

前所未有的軌道方案

TESS屬于美國“探測者”計劃中的中級衛星，美國宇航局對每個這個級別的科學探測衛星設置了1.8億美元的總預算限制。由于預算有限，TESS的總重僅375千克，在軌道科學·ATK公司的LEOSTAR-2衛星平臺的基礎上建造。雖然TESS擁有4個可以維持衛星軌道的推進器，但由于衛星總重的限制，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定的軌道上，才能保證為期兩年的觀測任務的完成。此外，要完成凌日觀測任務，還要求軌道上干擾觀測的雜散光水平盡量的低。

最終，工程師們為TESS選擇了一條從未在之前的航天任務中使用過的軌道。這條軌道的近地點位于17個地球半徑，高于大部分通信衛星工作的同步軌道；遠地點位于58.7個地球半徑附近，接近月球公轉軌道。這條軌道的周期為13.7天，剛好是月球繞地球公轉周期的一半，因此也被稱為P/2月球共振軌道。這條軌道遠地點上的雜散光水平比近地軌道低好幾個量級，衛星外部的熱環境也相當穩定，可以給CCD的恒溫工作提供良好的條件。而衛星到達近地點時，則可以利用美國宇航局的深空探測網絡，將存儲的觀測數據傳回地面。

▲ 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，來自太陽風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域。空間天氣學家們將這個區域稱為范·艾倫輻射帶，以紀念發現這個區域的物理學家范·艾倫。有趣的是，發現這個輻射帶所使用的數據，來自于TESS所屬的“探測者計劃”中的第一顆衛星“探測者1號”。然而，由于高能粒子可能對衛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域。P/2月球共振軌道的近地點已經徹底遠離了范·艾倫輻射帶，因此TESS在進行科學觀測時無需擔心輻射對衛星的影響。

P/2月球共振軌道最可貴的性質，在于其十分出眾的穩定性。如果衛星入軌的時機掌握得當，使衛星位于遠地點時，衛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。一旦衛星成功入軌，可在軌道上穩定工作數十年，幾乎不需要消耗燃料進行軌道維持。在發射過程中，獵鷹9號火箭首先將TESS送入一條近地點高度200公里、遠地點高度27000公里的轉移軌道，之后，TESS至少打開發動機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動機的作用下，TESS最后會在發射60天左右之后進入預定的工作軌道。

其他觀測設備的后續觀測

天文學家們估計，TESS在軌工作的兩年中，有望發現約兩萬顆系外行星，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。從TESS的數據中，科學家們可以確定系外行星的存在，并判斷出其公轉軌道參數和相對于主恒星的大小。對于系外行星研究，這幾項信息還遠不夠充分，但美國宇航局賦予TESS的任務是系外行星的普查，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研究價值的系外行星，由地基大型望遠鏡或哈勃等空間望遠鏡進行進一步觀測。當該局的新一代空間望遠鏡詹姆斯·韋伯在2020年上天后，也將加入系外行星的精細觀測工作中。

▲ 裝有TESS空間望遠鏡的整流罩出廠

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