飛向群星——「行星獵手」成功發射！
SpaceX 獵鷹9號運載火箭搭載美國國家航空航天局的TESS航天器於美國卡納維拉爾角當地時間4月18日18:51成功發射升空。| 圖片來源：SpaceX
當前幾代的先輩抬頭仰望星空時，也曾想要知道那些遙遠的恆星是否也如太陽一般有行星環繞。在幾代人的不斷努力下，我們終於找到了答案。現在我們知道，幾乎所有的恆星都有圍繞著它們公轉的行星。隨著探測技術的不斷進步，我們找到了越來越多的恆星系統。今天，美國宇航局成功發射了最新的探測衛星TESS（凌日系外行星巡天衛星），將進一步擴大範圍，搜尋環繞在那些更近、更明亮的恆星周圍的小型岩石行星。
TESS。| 圖片來源：NASA
我們想要知道許多與這些行星有關的信息，例如它們有多大、有著怎樣的軌道、又是如何形成以及演化的？在這些行星上是否也有大氣，是晴天還是陰天、大氣的組成又是由什麼？相信在接下來的幾十年內，我們將會發現因與恆星之間的有著恰當距離而具有液態水的類地行星。我們也有理由相信將會發現一顆大氣層中含有遊離氧分子等氣體的星球，以供生命活動的發生。TESS將幫助我們朝這一宏偉目標大步邁進。
行星的大小和發出的光芒與其母恆星相比是非常微不足道的。因此，能夠探測到它們其實就已經非常了不起，更不用說還能調查它們的大氣。從我們的視角來看，行星會在它們運行軌道上「掠過」恆星（凌日），從而遮蔽了恆星的一小部分光線。而TESS就將對太陽系附近大約20萬顆的明亮恆星進行觀測，尋找當行星凌日時，恆星亮度出現的微小下降。
由於太陽系以外的行星離我們太遠，因此我們無法直接對它們進行拍攝。TESS的任務是通過測量行星掠過恆星時（即凌日），恆星亮度發生的變化，以確認系外行星的存在。一般來說，一顆恆星的亮度下降得越大，行星就越大！| 圖片來源：NASA
若要理解系外行星的大氣層，我們必須研究大氣與星光之間的相互作用：當一顆行星經過恆星時，行星「背後」的一層薄薄的大氣會被星光照亮。星光中的一部分波長的光波會被大氣中的分子吸收，而還有一部分其他波長的光波則能直接通過。因此，通過研究最終抵達探測器的光波的波長，就能揭示這顆行星的大氣成分。
穿過行星大氣的星光光譜可以告訴我們行星大氣的成分。| 圖片來源：Christine Daniloff / MIT，Julien de Wit
這種程度的觀測正好是當前我們探測能力的極限，需要用到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）這樣的頂級設備。作為哈勃望遠鏡的的繼任者，耗費80億美元的JWST計劃於2020年發射。它的主鏡是由6.5米寬的反射鏡構成，能收集到比哈勃太空望遠鏡多得多的光線，而專門為其設計的各種尖端儀器也讓JWST足以勝任系外行星大氣層的研究。
為了可以最有效地利用JWST，我們首先需要知道哪些恆星是進行凌日系外行星研究的最佳目標，而這正是TESS存在的原因。在TESS之前，開普勒探測器在天鵝星座附近的某片天空區域中對15萬顆恆星進行了觀測，發現了包括從像木星那樣的巨型氣體行星、到水星一樣小型岩石行星總共一千多顆。但開普勒覆蓋的那一小片天空只含有少量亮度足以讓我們研究其行星系統的恆星。
相比之下，地基望遠鏡能搜尋更廣闊的天空，尋找更多更明亮恆星的凌日系外行星。其中最成功的一個例子是由英國主導的超廣角尋找行星（WASP）項目。 在過去的十年中，WASP用一系列的相機鏡頭，在每一個晴朗的夜晚對100萬顆恆星進行監測，以球搜尋凌日時出現的那種亮度下降。WASP發現了近200顆系外行星，其中一些現已被選作為JWST的觀測目標。
但對凌日調查來說，地基望遠鏡有一個很大的局限性：它們的觀測需要透過地球大氣，這會嚴重影響數據的質量。地基望遠鏡可檢測到的最小亮度下降約為1％，雖然這足以發現像木星與土星那樣巨大的氣態行星，但卻很難搜尋到會遮擋更少光纖的小型岩石行星。例如如果從遠處看我們的地球，會發現地球對太陽光的遮擋只能讓亮度下降0.01%。
因此，TESS將結合這兩種方法的優點，利用太空中的優勢對整片天空中的明亮恆星進行觀測。它應該能找到開普勒曾證明的那些大量存在的小型岩石行星，並發現它們環繞的恆星足夠明亮，使JWST可以研究它們的大氣層。
TESS將會對天空的每個區域進行30天的觀測。這意味著它可以探測那些不需要很長時間就可以繞恆星公轉一周的行星，因此能在TESS觀測的過程中完成好幾次凌日。公轉軌道越短的行星離它們的恆星更近，這意味著TESS能發現的大多數行星的溫度都會很高，從而不會有液態水存在。但是，繞著較暗、較冷的紅矮星公轉的那些行星，或許會處於生命可以存在的恰當溫度範圍內，即使這種情況下的行星與恆星相距並不遙遠。例如我們在亮度比太陽弱了約1000被的矮星TRAPPIST-1周圍，已經找到了七個繞其緊密公轉的行星。
當TESS在太空中搜索繞矮星公轉的行星時，SPECULOOS巡天將從地面觀測更小更暗的恆星。屆時，任何它所發現的行星都將成為JWST的主要觀測目標。
有許多望遠鏡都將肩負著尋找系外行星的重任。|圖片來源：NASA/JPL-Caltech
TESS索要完成的探索將帶領我們朝著尋找像太陽系這樣的可居住區域內尋找岩石行星又向前了一步。到2026年，歐洲航空局將計劃發射PLATO衛星，科學家寄希望它能找到像地球一樣公轉周期為一年的岩石行星。到那時，科學家將致力於在類地系外行星的大氣中尋找生物標誌物分子，比如遊離氧。
文：Coel Hellier（基爾大學天體物理學教授）
譯：不二北斗
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