TESS：系外行星普查员

文/李会超

▲ TESS通过凌日法寻找系外行星艺术概念图

2018年4月28日，美国宇航局的又一颗科学探测卫星TESS由太空探索技术公司的猎鹰9号火箭发射升空，开始了它探索未知世界的征程。TESS卫星的全称为凌日系外行星勘测卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite），这个全称已经揭示了TESS卫星的功能和实现途径：通过凌日法寻找其他恒星周围的行星。

进行巡天观测的行星普查员

长久以来，人们希望在茫茫太空中能觅得知音，发现与人类文明相似的外星文明和外星人。在太空中，唯一可能产生智慧文明的天体是行星，因此寻找外星文明的第一步就是找到围绕除太阳以外的其他恒星运转的行星。在TESS任务之前，美国宇航局的开普勒空间望远镜首先承担了这项任务，并取得了巨大的收获：在太空9年的观测中，开普勒空间望远镜总共确定了2300颗系外行星的存在，还将4500个天体列入了潜在的系外行星范畴。在2009年开普勒空间望远镜发射之前，人们对存在行星系统的恒星数量占总恒星数量的比例还不确定，因此，开普勒空间望远镜的一项工作就是确定行星是否广泛存在于其他恒星周边。随着开普勒望远镜数据的分析和获取，天文学家们惊讶地发现太空中几乎到处都有行星存在。在太阳系中，不存在个头介于地球和海王星之间的行星，但在其他恒星周边这样的行星却有不少。这表明，宇宙实际上是个行星的大宝库。

然而，开普勒计划也有它的局限性。“开普勒”的设计能够使它观测到距离地球500光年～1500光年范围内的系外行星。但在地球附近观测这个范围内的恒星时，恒星的光芒过于暗弱，无法使用其他观测设备进行后续的观测工作。而TESS则将自己的视野收回到距离地球30光年～300光年的范围内，所要观测的恒星比开普勒空间望远镜观测的亮30到100倍。

开普勒空间望远镜的观测局限在了一块比较小的天区中，仅占整个天球的4%。在证实了系外行星的普遍存在后，天文学家们希望TESS能够对太空中的系外行星来一次彻底的大普查，通过巡天观测的方式对85%的天球进行扫描，为今后数十年的系外行星研究提供一个充足的样本库。为了完成这个任务，TESS上装备了4台宽视场CCD相机，每台相机由包含7个光学组件的镜头和4个CCD感光元件构成。在观测时，每台相机能够覆盖24度×24度的一个天区，而四台望远镜就可以共同覆盖96度×24度的天区。对于每个天区的观测会持续27天，完成后，TESS会变化自己的观测方向，将自己指向另一个96度×24度的天区。这样，在两年之中，TESS总共可以观测26个这样的区域，几乎覆盖了全部的天球。

TESS发现系外行星使用的方法为“凌日法”。从地球看去，围绕恒星公转的行星会不时遮挡在恒星前面，地球附近观测到的恒星亮度会因为行星的遮挡而发生变化。一旦观测到恒星亮度的这种变化，就可以认为恒星周围可能存在行星。在TESS观测过程中，会每隔两分钟记录一次每颗目标天体的亮度，从而得到天体亮度随时间变化的信息，识别出有凌日现象发生的恒星。

前所未有的轨道方案

TESS属于美国“探测者”计划中的中级卫星，美国宇航局对每个这个级别的科学探测卫星设置了1.8亿美元的总预算限制。由于预算有限，TESS的总重仅375千克，在轨道科学·ATK公司的LEOSTAR-2卫星平台的基础上建造。虽然TESS拥有4个可以维持卫星轨道的推进器，但由于卫星总重的限制，无法携带大量燃料供维持轨道使用。这样，TESS必须工作在一条非常稳定的轨道上，才能保证为期两年的观测任务的完成。此外，要完成凌日观测任务，还要求轨道上干扰观测的杂散光水平尽量的低。

最终，工程师们为TESS选择了一条从未在之前的航天任务中使用过的轨道。这条轨道的近地点位于17个地球半径，高于大部分通信卫星工作的同步轨道；远地点位于58.7个地球半径附近，接近月球公转轨道。这条轨道的周期为13.7天，刚好是月球绕地球公转周期的一半，因此也被称为P/2月球共振轨道。这条轨道远地点上的杂散光水平比近地轨道低好几个量级，卫星外部的热环境也相当稳定，可以给CCD的恒温工作提供良好的条件。而卫星到达近地点时，则可以利用美国宇航局的深空探测网络，将存储的观测数据传回地面。

▲ TESS搭乘猎鹰9号火箭升空

▲ 在厂房中测试

在500公里到58000公里的高度范围内，来自太阳风的高能粒子被地球磁场束缚，在两极间来回震荡，形成了一个高能粒子通量水平很高的区域。空间天气学家们将这个区域称为范·艾伦辐射带，以纪念发现这个区域的物理学家范·艾伦。有趣的是，发现这个辐射带所使用的数据，来自于TESS所属的“探测者计划”中的第一颗卫星“探测者1号”。然而，由于高能粒子可能对卫星正常工作带来致命性的影响，TESS在工作时却要尽量避开这个区域。P/2月球共振轨道的近地点已经彻底远离了范·艾伦辐射带，因此TESS在进行科学观测时无需担心辐射对卫星的影响。

P/2月球共振轨道最可贵的性质，在于其十分出众的稳定性。如果卫星入轨的时机掌握得当，使卫星位于远地点时，卫星与地球的连线和月球与地球的连线间的夹角总为90度，则地球和月球引力给轨道带来的扰动几乎为0。一旦卫星成功入轨，可在轨道上稳定工作数十年，几乎不需要消耗燃料进行轨道维持。在发射过程中，猎鹰9号火箭首先将TESS送入一条近地点高度200公里、远地点高度27000公里的转移轨道，之后，TESS至少打开发动机5次，将自己送入飞掠月球的轨道。在月球引力的帮助和自身发动机的作用下，TESS最后会在发射60天左右之后进入预定的工作轨道。

其他观测设备的后续观测

天文学家们估计，TESS在轨工作的两年中，有望发现约两万颗系外行星，其中约50颗的大小与地球相仿，约500颗的半径在地球半径的两倍以内。从TESS的数据中，科学家们可以确定系外行星的存在，并判断出其公转轨道参数和相对于主恒星的大小。对于系外行星研究，这几项信息还远不够充分，但美国宇航局赋予TESS的任务是系外行星的普查，而不是精确探测。通过TESS大范围的巡天观测，天文学家们将获取一个系外行星的大列表，并可以从中选出最具科学研究价值的系外行星，由地基大型望远镜或哈勃等空间望远镜进行进一步观测。当该局的新一代空间望远镜詹姆斯·韦伯在2020年上天后，也将加入系外行星的精细观测工作中。

▲ 装有TESS空间望远镜的整流罩出厂

某一系外行星质量、密度、组分如何？它是和地球、火星相似的岩态行星还是和木星、土星相似的气态巨星？它所在的星系中是否存在复杂的行星相互作用？它是否有可能孕育生命？这些问题都可以通过大型望远镜的后续精细观测回答。在TESS之后，欧空局将发射系外行星特征卫星（CHEOPS），精确测定系外行星的半径。而美国宇航局将发射宽视场红外巡天望远镜（WRIRST），这个望远镜的一个功能是发现轨道周期长、存在行星盘的系外行星。这些任务将和TESS一道，共同推进我们对系外行星的探索和理解。