遇見TESS，系外行星獵手

編譯 王格格

NASA新航天器凌星系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）發(fā)射，它將為科學家展現(xiàn)我們附近行星的更清晰圖景。

TESS搭乘SpaceX獵鷹9號火箭在肯尼迪航天中心發(fā)射，這是NASA與埃隆·馬斯克合作的第一個科學任務(wù)

美國宇航局（NASA）于美東時間2018年4月18日發(fā)射了一顆探測衛(wèi)星，這顆帶著相機和雄心的小航天器“凌星系外行星巡天衛(wèi)星”，又稱TESS，在熊熊火焰中由SpaceX獵鷹9號火箭搭載升空，它將長時間在月球和地球之間停留。

在接下來的兩年里，它將掃描巡視太陽系外世界。

TESS是人們試圖解答幾千年來困惑著人類的、也是近30年來天文學領(lǐng)域一直探索的主導謎題做出的最新努力：我們是孤獨的嗎？還有其他的地球嗎？哪怕在銀河系的任意其他地方存在微生物的證據(jù)都會震撼整個科學界。

不久以前，天文學家不知道在我們的太陽系外是否有行星，或者如果有的話，它們能否被發(fā)現(xiàn)。但從1995年一個圍繞類似太陽的恒星飛馬座51運行的行星被發(fā)現(xiàn)開始，一場革命已經(jīng)發(fā)生。

美國宇航局2009年發(fā)射的開普勒太空望遠鏡，在銀河系的一小塊天區(qū)天鵝座附近發(fā)現(xiàn)了4000顆可能的行星。開普勒在其瞄準系統(tǒng)損壞之后，只對其他星場進行了短暫的巡天。在太空中運行9年之后，它已耗盡燃料。

麻省理工學院行星科學家、TESS團隊成員薩拉·西格爾（Sara Seager）說，“大多數(shù)具有行星的恒星都距離我們很遙遠，”參考之前開普勒的大量發(fā)現(xiàn)，“TESS將會填補圍繞附近恒星運行的行星空白?！?/p>

TESS項目首席科學家喬治·里克說，有2 000萬顆恒星我們可以探測

TESS裹著閃閃發(fā)光的鋁箔（左）；一塊印有TESS項目所有工作人員簽名的匾牌（右）；TESS上還安裝了一個記憶芯片，內(nèi)含學童所繪的系外行星圖畫

喬治·里克（George Ricker），麻省理工學院研究員以及TESS團隊的領(lǐng)導者，希望在300光年以內(nèi)的空間里找到500顆類似地球大小的行星，因為這個距離可以讓新一代的地面和太空望遠鏡來檢驗居住的可能性，甚至那里是否存在外星生命。

但是TESS的科學目標不止宇宙中的行星。

“TESS會很有意思，”里克博士說，“我們有2 000萬顆恒星可以探測。航天器能夠?qū)μ炜罩械拿恳淮伍W爍做精確的亮度測量，星系、恒星、活動星系核?！彼穆曇糁饾u減弱。

大多數(shù)的系外行星都圍繞著被稱為紅矮星的一類恒星運行，紅矮星比太陽小得多，也更冷。它們是構(gòu)成我們近鄰（以及宇宙中）恒星的重要部分，對大多數(shù)行星來說也大概如此。

與開普勒望遠鏡一樣，TESS會通過監(jiān)視恒星的光度來獵取這些行星，如果探測到光度的輕微下降和瞬間的衰落，表明有行星在它所圍繞的恒星前面通過。

該任務(wù)的策劃者說，他們預(yù)計最終編目20 000個不計形狀和尺寸的新的系外行星候選體，特別是他們承諾要拿出50顆小于4倍地球尺寸的新行星的質(zhì)量和軌道。

宇宙中的大多數(shù)行星尺寸都在地球和海王星的尺寸范圍之內(nèi)變化，但太陽系中沒有這樣的實例，正如西格博士所說：“我們對它們一無所知?！?/p>

它們是大部分由巖石構(gòu)成、被大氣面紗圍繞的所謂的“超級地球”？還是具有深埋在大量氣體中的小鐵核的 “迷你海王星”？

來自開普勒和天文學家的數(shù)據(jù)表明，不同之處在于質(zhì)量：具有大量巖石的肥沃之地——固態(tài)行星的尺寸往往小于地球大小的1.5倍，而具有冰云的“不毛之地”——氣態(tài)行星體積則往往更大。遵循這條規(guī)律，那么有多少顆行星具備上述任一種情況，就能確定系外世界里有多少個星球可能有凍結(jié)的水蒸氣或成為潛在的生命花園。

“我們需要進行精確的質(zhì)量測量。”哈佛史密松天體物理中心負責組織天文學家跟蹤TESS觀測結(jié)果的大衛(wèi)·萊瑟姆（David Latham）說。

為此，該小組已經(jīng)獲得了在未來5年里每年80個晚上的觀測時間，利用安裝在意大利加那利大型望遠鏡上的HARPS-N攝譜儀。該望遠鏡位于非洲沿海的加那利群島拉帕爾馬島，隸屬于西班牙。

HARPS——高精度徑向速度行星搜索器，可以利用行星在繞軌道運行時影響其主恒星擺動的程度來測量一顆行星的質(zhì)量，這樣的測量如果足夠精確，將有助于對目標的組成和結(jié)構(gòu)進行區(qū)分。

TESS是美國宇航局較小的任務(wù)之一，預(yù)算2億美元，與之相比，開普勒望遠鏡的預(yù)算約為6.5億美元。

發(fā)射前，TESS被部分裹著閃閃發(fā)光的鋁箔、短而粗的太陽能板折疊在一邊，安置在塑料帳篷內(nèi)的圓形底座上。這個帳篷在一座偏僻建筑中海綿般的“潔凈室”里占據(jù)了一個角落，位于太空中心的邊緣，在棕櫚樹、運河和鸕鶿群中。

航天器的外形就像一個體積龐大、形狀怪異的冰箱，沒有裝磁鐵，而是帶著神秘的噴嘴和連接器。4對藍色支架從底座下面伸出來，仿佛高科技機械在汽車下面工作。

工程師們將匾牌粘貼到飛船底部，包括一個存有學童所繪的系外行星想象圖的記憶芯片。

里克博士站在一邊，穿著保護材料制成的防護服，只露出他戴著眼鏡的雙眼，在帳篷里凝視著他的新飛船，仿佛在看他的汽車被修理，并與設(shè)計和建造的工程師談?wù)撝鸺?/p>

里克博士作為麻省理工學院科維理天體物理研究所和空間研究所的研究員，一直是一名火箭科學家，建造即將發(fā)射到太空的天文衛(wèi)星占據(jù)了他整個職業(yè)生涯的很大部分。

他以前的大多數(shù)項目涉及通過X射線或伽馬射線來測量宇宙的律動，最近是利用高能瞬變探測器來研究伽馬射線暴。

當被問及研究行星是否代表他離開了以前的研究時，里克博士聳聳肩說：“并不是這樣?！彼乃泄ぷ鞫忌婕皩κ挛镒兓木_測量，他稱之為“時域天文學”。

這項工作的關(guān)鍵是保有非常穩(wěn)定和靈敏的探測器——成像芯片，它是智能手機中傳感器的近親，可以可靠地記錄只有百萬分之幾的亮度變化，而這表明一顆行星正經(jīng)過它的主恒星。

里克博士說，他和他的同事們早在2006年就開始醞釀一個關(guān)于發(fā)現(xiàn)行星的任務(wù)。在參加了一次耗資較少的NASA小型搜尋項目競賽失利后，科學家們在2010年重新參加了一項更大的任務(wù)競賽，并獲得了勝利。

他們已經(jīng)竭盡全力去設(shè)計一種緊湊的航天器，來適配NASA用于小型探索的火箭，所以當NASA選擇SpaceX的獵鷹9號時，它可以攜帶更大的載荷來完成TESS發(fā)射任務(wù)。

這是美國宇航局第一次為它的科學任務(wù)從埃隆·馬斯克的公司購買一艘SpaceX火箭。所有目光都聚焦在發(fā)射臺上，SpaceX的發(fā)射歷史中，偶爾也有不愉快的被迫放棄的任務(wù)。

美國宇航局發(fā)布的一份報告顯示，航天局和SpaceX仍就兩年半前國際空間站在飛行中解體的任務(wù)出錯問題無法達成一致。在2016的第二次災(zāi)難中，一艘獵鷹9在發(fā)射臺測試中爆炸，摧毀了一顆其客戶包括Facebook的通信衛(wèi)星。

不屈不撓的SpaceX公司及其創(chuàng)始人馬斯克先生已經(jīng)連續(xù)22次發(fā)射獵鷹，并于2018年2月進行了一次重型獵鷹的首飛，這是世界上最強大的火箭，馬斯克借此把他的一輛特斯拉跑車送入了太空。

TESS：與一顆繞著它的恒星運行的行星相伴

“TESS看起來像獵鷹9里面的一個小玩具?！崩锟瞬┦空f。不過，是一個有潛力的玩具。

在飛船的頂部有4個小相機，每一個都有24度的視場，大致是與獵戶座星座大小相當?shù)囊粔K天區(qū)面積。

相機每次將持續(xù)觀察天空的相鄰區(qū)域27天，然后換到下一塊天區(qū)。第一年，研究人員將對整個南半球天空進行巡天；第二年，他們會將北半球天空的數(shù)據(jù)整合到一起。如果任務(wù)延長超過兩年，他們會重復(fù)上述過程。

里克博士和他的同事們準備了一張200 000顆附近恒星的列表，這些恒星的亮度將被以他們稱為航天器“郵戳”的模式每兩分鐘測量并報告一次。同時，每隔半小時記錄一次24度大小的天區(qū)圖像。

在尋找可居住的系外行星競賽中，這樣的搜尋方式對于尋找和研究更有勝算，即圍繞天文學術(shù)語中無所不在的紅矮星。“這是紅矮星的時代?！蔽鞲癫┦空f。

因為它們比太陽更冷更暗弱，它們的“金發(fā)碧眼”帶——原則上說是可能存在液態(tài)水的——距離它們的主恒星只有幾百萬英里，而不是地球繞太陽的9 000萬英里。

在更短的繞行距離情況下，紅矮星上的所謂1年只有10到30天。如果TESS正巧在那27天里關(guān)注這塊天區(qū)，由于凌星的緣故，我們可能會看到光度的3次輕微下降，那么足以證明這顆行星是一個真正的候選體，并對其開展調(diào)查來進一步證實。

但事實上，正如西格博士所指出的，可居住性仍有待商榷，至少對于脆弱的我們來說如此。紅矮星非常不穩(wěn)定，并且會受到強烈的太陽耀斑影響。

從開普勒對特拉普系統(tǒng)80天的觀測數(shù)據(jù)分析，這個系統(tǒng)包括至少7顆地球大小的行星緊緊圍繞著一顆距離我們約40光年的恒星，匈牙利天文學家計算出該小行星系統(tǒng)受到過42次太陽耀斑并因此產(chǎn)生了致命輻射。

西格博士指出，至少有一次，就像1859年一個著名的太陽耀斑“卡林頓事件”，它摧毀了地球上的電信服務(wù)，并使得低緯度地區(qū)直到赤道都看到了極光。

西格博士說：“就我個人而言，我將永遠支持存在一個能讓我們感覺到有親緣關(guān)系的真正的地球?qū)\生兄弟。”他指的是一個像我們的地球這樣的行星，圍繞著一顆像太陽一樣大的恒星運轉(zhuǎn)。

為了開始其出色的探險，TESS將被發(fā)射到一個異常偏心的軌道上，在最遠點將衛(wèi)星一路帶到月球。與月球的引力相互作用將使TESS在長達1 000年里保持穩(wěn)定的13.7天軌道周期，里克博士說。

遠地點，離地球最遠的距離，將最大限度地減少來自地球的阻礙和干擾。TESS將在每次環(huán)繞到離地球最近的時候傳回數(shù)據(jù)，在大約67000英里處。

萊瑟姆博士稱之為“光滑的軌道”，但需要近兩個月的時間消耗許多燃料才能到達那里并開始進行科學研究。如果一切順利，那將是2018年6月中旬。

里克博士說，在這個過程中的某個時候，研究小組將把飛船上的相機轉(zhuǎn)向地球，最后回眸一下家園。

當被問及是否準備成為系外行星先生時，里克博士皺皺眉，他說，“我所期待的是，獲取一些數(shù)據(jù)來查看?！?/p>