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TESS：新一代行星猎手
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John Wenz 文 Shea 编译 |
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在为期2年的任务中，凌星太阳系外行星巡天卫星（TESS）应该会发现数千颗新的太阳系外行星候选体，包括在我们附近的数百颗地球大小和超级地球大小的行星。 在2018年3月，最迟不晚于同年6月，美国太空探索技术公司的“猎鹰”9号火箭将会把一个航天器发射到距离地面10万千米的高度上，大约是地球同步轨道的3倍。然后，使用第二级火箭剩余的燃料，它会将逐渐靠近月球，最终被甩入一条与月球绕地球公转平面呈40°倾角的轨道内。 在那里，每当月球绕地球公转1周，它就会绕地球2圈。这样做的目的是什么？是为了寻找太阳系之外距离我们最近的、最有希望的类地球行星。此前，开普勒空间望远镜已经发现了数千颗太阳系外行星，凌星太阳系外行星巡天卫星（TESS）并不仅仅是它的后续任务。它会告诉我们在太阳系近旁有些什么，也许还会捕捉到一些超新星爆发或黑洞吞噬恒星的事件。 虽然“开普勒”发现太阳系外行星极其普遍，作为它的天然继任者，TESS将发现其中一些距离我们最近的也最有趣的成员。  有何不同？ “开普勒”和TESS探测的都是凌星太阳系外行星。当一颗行星从其宿主恒星表面前方经过时，因遮挡会导致该恒星的亮度下降。虽然“开普勒”专注于一小片天空发掘其深度，但TESS会尽可能多地勘测天空，寻找理想的目标。 “开普勒”意在完备性，目的是对太阳系外行星的数量做出准确的估计。TESS则更像是一个精挑细选的任务。 它会从海量的行星候选体中挑选出50颗小型行星，精确测定它们的质量。完备性已不再是TESS的目标，对测量结果的可靠和精准要求才是。 为此，TESS配备了4台照相机。在1年的时间里，它会对半个天球中的恒星进行巡天，对每个天区进行为期27天的监测，寻找近邻恒星旁凌星的行星。不同于普查行星的数量，TESS是一个信息收集任务，为下一代望远镜寻找另一个地球提供最佳的候选体。 在发现行星之后，TESS会告诉天文学家它们的粗略大小。使用地面上的天文仪器，通过视向速度测量，科学家们可以通过确定恒星和行星之间的引力来得知行星的质量和密度。 众多的下一代望远镜将会对最有希望的候选体进行后续观测，来探测它们的组成成分。这其中就包括了即将发射的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）。有不少人把TESS和JWST视为是搭档。其实，升空近30年的哈勃空间望远镜也会加入。作为美国国家侦察局捐赠给美国宇航局（NASA）的两架望远镜之一，大视场红外巡天望远镜（WFIRST）也会参与进来。曾经，WFIRST是“哈勃”的克隆版，但任务是对地侦察。但当它在下一个十年发射时，它将会成为搜寻行星的干将。 这些下一代望远镜中也包含了地面望远镜。类似于昴星团望远镜，其中一些已经全副武装投入使用。诸如欧洲特大望远镜和巨麦哲伦望远镜，其他一些则仍在建造中。（作为另一架特大望远镜，三十米望远镜目前正因为夏威夷原住民的抗议而处于停滞状态。）
 一路走来 最初，TESS并非是NASA搜寻太阳系外行星宏伟计划的一部分。它起源自由美国麻省理工学院主导的高能暂现源探测器2号，后者工作的时间为2000～2006年。该任务的意图是跟踪恒星的运动，为此它配备了一个极佳的光度计。2002年，当时因OGLE-TR-56b的发现，通过凌星来搜寻行星的想法走到了最前沿。 为了探测凌星，必须要有一个很好的光度计，这正是高能暂现源探测器2号所拥有的——科学家们无心插柳地制造出了一个恒星跟踪器，它对亮度的测量精度可以达到约1/1000。这么好的一个光度计让天文学家开始思考如何发挥其更大的潜能。最初的光度计有约100平方度的视场。他们意识到，通过扩大视场，可以建造一架相当尖端的空间望远镜来搜寻近邻恒星周围的行星。 到2006年时，他们构想出了TESS的早期版本。谷歌为此捐赠25万美元，其他私人投资者也开始对这个项目感兴趣。但之后的经济衰退则让这些私人投资者纷纷退出。值得庆幸的是，就在这个时候NASA开始征集第8期探索者项目提案，该项目专门针对轨道物理学实验，包括地球物理学、日球层物理学和天体物理学。 TESS成为了晋级决赛的三名选手之一，但NASA最终选中了雨燕γ射线暴探测器作为第8期的中型任务。TESS团队并没有气馁，他们回到绘图板前，提出了新的月球共振轨道的想法，它可以大幅提升TESS的能力。最终，TESS在2013年被NASA选中，成为探索者任务。 在当时，“开普勒”的结果已经尽人皆知，因此它的着眼点转而放在了近距明亮恒星上，以便开展后续的细致研究。从2009年到2013年，一方面，天文学家们为“开普勒”的高产而感到咋舌，另一方面也因无法进行后续观测而感到沮丧，因为这些宿主恒星太暗弱了，至少还要再亮上15～40倍才行。这正是TESS所真正关注的。  探测任务 相比于“开普勒”，TESS是一个更有选择性的任务，侧重于对明亮恒星的观测，这也是众望所归。它的有效搜寻半径约为100秒差距（326光年），但在76.6秒差距（250光年）内存在约200 000颗恒星。总体而言，在TESS的视场中总计会有4000万个天体，这其中也包含了1000万个可探测的星系。 在灵敏度上，根据设计它实际上要比“开普勒”的低一些。“开普勒”要监测一小片天区中的许多恒星，这意味着它必须要能可靠地测量众多暗弱的恒星。然而，TESS所专注的是明亮恒星，因此它的视场和探测器特性都是为了在近距明亮恒星上获得高质量数据而优化的。 即便如此，TESS仍有许多可以研究的目标。其中一些是较为明亮的M型矮星，即“红矮星”，它们是最小的恒星，仍可以把氢聚变成氦。它们中就包括了半人马座的比邻星，它是距离太阳最近的恒星。但与此同时，TESS也会观测更亮一些的近邻恒星，例如半人马αA和半人马αB，它们一个比太阳稍大，另一个则比太阳稍小。这些近邻明亮恒星中也包含了拥有原行星盘的织女星和夜空中最为明亮的恒星天狼星。这些将是最容易被研究的恒星，因此会发现一些新的太阳系外行星，当然前提是它们会从其宿主恒星前方经过。 TESS所寻找的是围绕较亮恒星的地球大小行星。较亮恒星的好处是，使用更大的望远镜所开展的后续观测可以更加容易地获得高质量的结果，因为天文学家们可以收集到更多来自它们的光信号。在其计划为期2年的任务中，TESS会把前351天用于对南半球天空的巡视。 后半部分则用于观测北天。每30分钟，它就会拍摄一幅其视场的完整图像，将其发回地球。通过比较这些图像随时间的变化，可以借由恒星亮度的微小下降来搜寻它们周围的行星。其为期13.7天的轨道让TESS对准与太阳完全相反的方向，由此对于地面望远镜来说，它所观测的目标总是会在午夜上中天。 但因为它紧盯着同一片天空，于是还有其他诱人的事情可能会出现。例如，TESS也可以捕捉其他的恒星事件。如果一颗超新星开始出现，TESS能够为γ射线暴坐标网/暂现天文学网发出γ射线活动预警，天文学家进而可以捕捉到恒星剧烈死亡过程的初始阶段。它还可以为恒星爆发和黑洞活动提供观测数据。 除了TESS团队所感兴趣的恒星之外，其他天文学家也可以获得它视场中其他目标的数据。例如，变星并非是搜寻太阳系外行星的理想候选体，但有一些会出现在TESS的视场中，于是有关的数据就可以用于研究它们的光变特性。  如洪的数据 表面上，“开普勒”和TESS可能会有一些相似之处，但NASA对每一个任务的数据都会区别对待，并不会把它们组合成一个冗长的太阳系外行星表。 “开普勒”所观测的恒星与TESS所观测的之间仅有极少量的重叠，因此它们的数据也会被各自来处理。不过，TESS也从“开普勒”任务中汲取了很多教训，由此它可以更快也更可靠地寻找太阳系外行星。最终，所有任务发现的所有行星都会由NASA的太阳系外行星科学研究所整合并存档，于是科学家们可以利用多个任务所发现的行星来进行更好的统计分析，为进一步的研究挑选出最佳的对象。 每隔30分钟，TESS就会发回其整个视场的一张快照。每过13.7天，它就会与美国深空探测网之间开启完整的数据下行连接。该网由NASA负责管理的3架望远镜组成，专门用于与遥远探测器间进行联络。这3架望远镜分别位于美国、西班牙和澳大利亚，具有极高的带宽可以承接TESS的海量数据。每一次的数据下行回传量大约有384个吉字节。在整个任务期间，总数据量会超过19个太字节。 TESS任务的初始阶段会相对波澜不惊。使用超级计算机，其科学家团队会花6个月时间来筛查发回的数据，寻找凌星事件。为了确认这些目标，地面望远镜必须要对它们进行后续观测，定位距离我们最近且最有希望的候选体。它们将会是未来下一代科学家深入研究的最佳对象。 在最初的6个月之后，可用于处理数据的时间将越来越少——随着数据库中数据的积累以及计算机转向处理夜空中可见恒星的数据，剩下的时间最多只有4个月。所有的数据都将免费开放。 这让任何人都能参与到数据的挖掘中。“开普勒”的行星中有一些就是由天文爱好者通过筛查其数据而发现的。事实上，TESS最终仅有5～10%的数据会被用于官方的后续观测研究。天文爱好者可以浏览其星表中成千上万颗恒星的数据，寻找到一些被TESS和JWST团队忽视的行星。甚至于还能发现一些其他的天文事件，例如2015年发现了一颗会周期性变暗的恒星，但其原因至今不明。 TESS是被设计来寻找太阳系外行星的，但毫无疑问它也可以胜任许多其他的工作。  拓展任务 根据计划，TESS主任务阶段为期2年。但得益于由太阳能供电，因此从长远来看，能源并不是它的大问题。在进入工作轨道之后，它仍会剩余一些燃料。它的特殊轨道则至少可以稳定存在100年。 NASA的探测器一直以超长的寿命而著称。2004年“机遇”号火星车着陆到了火星上，其设计寿命只有92.5个地球天。然而，现在它仍在工作。它的继任者“好奇”号火星车则已经在火星上的另一个地方工作了5年多。此外，也没有人知道“卡西尼”土星探测器可以对土星进行长达13年的探测，毕竟最初的任务期望只有4年。更不要其史诗级的“旅行者”号探测器了，40年之后的今天它们仍在运转。 “开普勒”至今也仍在工作。NASA当初的计划是一个为期3.5年的任务，随后它的任务被延长。就在2013年进入其拓展任务之后几个月，它的一个反应轮失灵，使之无法继续最初的任务。“开普勒”在其第一期任务中发现了2 331颗已被确认的行星，还有超过4 600颗候选体有待确认。 不过，“开普勒”的工作还没有结束。它的科学家团队发现，虽然威力有所减小，但利用太阳辐射压可以保持它姿态的稳定，进而继续搜索行星。目前，在其第2期（K2）任务中，“开普勒”已经发现了147颗已被确认的行星。 类似地，天文学家们对TESS的拓展任务已经有了构想。在为期2年的主任务结束之后，它会调整指向，对准K2任务所观测过的赤道附近的天区。在2年的拓展任务中，TESS的观测能力相当于70～80个K2任务。在那之后呢？天空会成为它的极限。  大愿景 为了展开尽可能细致的研究，每一颗被发现的行星都是非常有价值的。这让天文学家们可以更好地比较行星间形成和演化的差异，了解是什么因素导致了岩质行星的形成并维持住了它的浓密大气层，最终有一天人类可以探测近邻行星的大气，看看它们是否与我们地球的相类似。 试想在未来的某一天，JWST或者是巨麦哲伦望远镜会对TESS所发现的行星进行后续观测。得益于TESS，天文学家知道该行星从其宿主恒星前方经过的确切时间。在凌星的过程中，恒星的星光会穿过行星的大气层。JWST和地面上的望远镜会接收到这些星光，而行星大气中的成分则会对其所产生吸收效应。 根据TESS的观测，天文学家已经知道了它的大致直径，也花了大量时间来研究从已有数据所能得到的每一个细节。但未来更进一步的观测所获得的数据则完全不同于以往，显示这颗系外行星和地球一样有着浓密的大气，其成分包括氮，氧，一点点氩，二氧化碳，还有水蒸气。它不仅是一颗位于宜居带内的行星，还是一颗与我们相似的蓝色行星。就在这一刻，我们将最终找到了紧邻我们的另一个地球。 这是全人类都在期待的一天。在一条特殊轨道上的一架小望远镜则将是它的起点。 |
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[Astronomy 2017年07月]
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