再見開普勒，你好苔絲：行星研究將迎來新時代

原標題：再見開普勒，你好苔絲：行星研究將迎來新時代

美國東部時間18日18時51分（北京時間19日6時51分），佛羅里達州卡納維拉爾角，多次延遲發射的系外行星探測衛星TESS（苔絲）終於從這個世界上最知名的發射基地升空。它將被SpaceX Falcon 9火箭送至距離地球200公里的月球轉移軌道上，開始漫長而複雜的入軌進程。

圖1 準備發射的TESS衛星 (圖片來源：nasaspaceflight.com)

圖2 TESS衛星發射圖（圖片來源：nasa.gov）

在TESS之前的另外一顆已在天上工作了9年之久的系外行星探測衛星，也是在這裡被送上天的——以16世紀德國天文學家開普勒（Kepler）命名的望遠鏡——這一次，TESS要去接班了。

在開普勒望遠鏡運行的這些年中，因尋找系外行星收穫頗豐，它被人們冠以了「行星獵手」的美稱。不過，根據NASA科學家此前的最新估計，開普勒望遠鏡因燃料用盡將在幾個月後停止運行。如果一切順利的話，TESS在歷時兩個月、經歷11次自身加速變軌和1次月球的彈弓效應之後，將最終進入其預定軌道，完美接棒開普勒，繼續開展系外行星的觀測。新任「行星探測官」TESS作為巡天衛星，大大拓展了開普勒之前的視線所及之處，這不僅將為人類更細緻地研究系外行星創造條件，還將給2020年發射的韋伯太空望遠鏡備好一席豐盛的「大餐」。

TESS項目科學副主任、MIT教授Sara Seager是全球知名的行星研究科學家，她評價說：「TESS項目將把行星研究帶入到一個令人激動的新時代。」在開普勒之後，TESS開啟了行星研究的第三個階段。據估計，TESS將發現大約70個地球大小的行星和500個左右的超級地球。到那時候，類似2015年NASA宣布發現Kepler452B時的激動場景或將不斷重現，這項任務——尋找地球在太陽系之外的、距離我們更近的地球表哥和地球表姐，以及可能存在的生命跡象——就交給TESS了！

凌星找星：從陰影中發現光明

TESS衛星由美國麻省理工學院教授George Ricker領頭研發，其英文全稱為Transiting Exoplanet Survey Satellite，中文意為「凌星系外行星巡天衛星」。此處有兩個詞值得我們注意，它們是接班人TESS的重要特徵之二：一是「凌星(transiting)」，二是「巡天(survey)」。

「凌星」指的是TESS衛星將使用凌星法來發現新的系外行星。其工作原理並不難理解：行星圍繞中心恆星轉動，當行星繞轉到恆星前側的時候——因行星本身不發光，而又有大小——會遮擋住來自於恆星的一部分光線，從而使得我們觀察到的恆星亮度有一個微小的變暗。所謂「凌星法」，指的就是這種通過恆星亮度變暗來推測行星之存在的方法。

圖3 凌星法演示圖

這種「從陰影中發現光明」的探測方法，不僅易於判斷行星的存在，而且便於科學家們推斷行星存在的個數。每一個行星都在恆星亮度演化圖上留下了一個因遮擋導致的小坑，所以只要能夠推斷出坑的個數，科學家就能夠得知恆星周圍行星的數目了。

讓我們想想看，相較於恆星本身，行星通常要小得多，而且遠在數光年之外，我們能觀察到的因行星遮擋產生的亮度變化應該很小。即便是按照目前對巨行星的估計來看，其遮擋也只會導致中心恆星亮度百萬分之一的降低。但是，開普勒與TESS都使用了凌星法來探測系外行星，原因在於太空中望遠鏡性能通常非常穩定，沒有大氣干擾，它們能夠很容易測量到如此微小、甚至更小的變化。

科學家們還有著諸如視向速度法、直接觀測法和微引力透鏡法等其它一些探測方式，但都相對比較複雜、難以實現和觀測。所以，凌星法也是目前使用最為廣泛的一種探測方式。

巡視全天：

四隻小眼睛掃描大世界

除此之外，「巡天」也標誌著新衛星TESS和其他之前的項目在尋找系外行星工作模式上的差別，這一點也是它與前任開普勒之間的最顯著不同。

自2009年3月發射，直至2013年5月，開普勒望遠鏡一直指向天琴座和天鵝座的一塊狹小區域，從不指向其它方向。開普勒望遠鏡希望通過對觀測區域內的大約15萬顆恆星進行持續不斷的觀測，從而觀測到微小的亮度變化，以此來發現新的行星。（2013年5月之後，因為反作用輪發生故障，望遠鏡無法精確唯一地指向一個方向，從而將工作模式變成了掃描模式。）

志在「巡天」的TESS衛星則完全不同，它並不指向一個特定區域，而是對整個天空進行巡視，希望找到那些距離我們地球很近且很亮的恆星周圍的行星。我們知道，南北半球加起來，我們的肉眼只能看到大約8000顆恆星，然而TESS的「機器眼」可以探測到至少20萬顆恆星，是人類肉眼可見的25倍之多！

圖4 TESS衛星效果圖（圖片來源：NASA）

圖5 開普勒衛星效果圖（圖片來源：NASA）

所以，TESS的結構構造也和開普勒迥異。TESS由四個完全一樣的望遠鏡構成，相當於四個望遠鏡同時掃描，可以縮短全天掃描時間——這對於想要用兩年時間觀測完整個天空的TESS來說非常必要。同時，因為TESS只對地球附近的、或很亮的恆星進行觀測，所以不需要很大的口徑，它的每一個望遠鏡口徑只有10厘米，和大多數業餘望遠鏡的口徑差不多，而開普勒僅由一個口徑95厘米的望遠鏡構成。

為了實現各自的觀測目的，TESS衛星的軌道和開普勒也完全不同。

苔絲與開普勒之間這個比喻意義上的「接棒」，並不意味著它們能夠當面交接工作。對於開普勒衛星而言，因為它指向天空的某個特定方向，所以採用了尾隨地球（earth-trailing）、繞太陽轉動的方式，周期達372.57天。TESS是對整個天空進行觀測，所以最終它是繞地球旋轉的，繞轉周期為13.7天；它首先將用一年時間掃描南天球，接下來的一年將對北天球進行掃描。

圖6 TESS衛星的掃描安排圖。A圖是代表瞭望遠鏡的視場大小。B圖代表了每27天在天球上的掃描區域。C圖代表了不同累計觀測時間在天球上的掃描區域。

為了讓TESS衛星在保持軌道穩定的同時儘可能遠離地球，從而保證衛星在沒有遮擋的情況下，有足夠多的時間對每個設定的天區進行觀測，科學家們為TESS衛星設計了一個獨一無二的軌道——一個近地點為17個地球半徑、遠地點為59個地球半徑的高度橢圓軌道。

這個軌道的特殊之處在於，它能夠在月球和地球的引力之下保持相對穩定，並且和月球軌道形成一個1：2的共振關係（簡稱為P/2）。這便意味著TESS衛星的軌道周期只有月球周期的一半（即13.7天）。在這一軌道上，每當衛星處於遠地點時，月球就會處於衛星之前或之後90度的地方，從而最大程度低降低月球造成的遮擋和不穩定性。

為了把TESS送入這個特殊軌道，火箭和衛星也費了一番周折。在火箭升空大約2分半的時間內，一級火箭和二級火箭分離，一級火箭被回收。二級火箭在分離之時點火，經歷滑行和再點火的階段，在發射約50分鐘後抵達超級同步轉移軌道（super synchronous transfer orbit，200 x 270，000公里），此時的高度大約為距離地面200公里。火箭和衛星自此告別，火箭進行第三次點火，進入逃離地球的軌道，成了一個遊盪在深空中的人造天體。而衛星本身也在此點火變軌，總共經過11次點火變軌和1次月球引力彈弓加速，歷經大約60天之後，最終抵達預定軌道。其實，在TESS衛星發射一周之後，科學設備在變軌過程中就將被啟動並開始測試，這樣一來，TESS一旦抵達軌道就可以開始科學觀測了。

圖7 衛星分離後，經歷60天，11次加速變軌和1次月球引力彈弓加速，最終到達預定軌道 (圖片來源：spaceflight101.com)

圖8 空間軌道示意圖，P/2為預定軌道（青色;圖片來源：NASA）

苔絲接棒：開普勒故障提供契機

TESS衛星項目的想法開始於2006年，當時得到了谷歌種子基金、Kavli基金會和MIT的私人資助。最初本想以私人基金髮射此衛星，不過因耗資巨大，MIT建議從NASA申請支持，並在2008年提交了申請。當時，因開普勒衛星即將發射，TESS在首輪競爭中敗下陣來。最終在2013年的第二輪角逐中被NASA選中，成為了政府支持項目。在某種程度上，這一輪里TESS的部分好運氣來自開普勒的壞運氣——原本一直表現出色的開普勒衛星，在2012年突然出現了反作用輪（reaction wheel）失效的故障。

在發射後的首個計劃運行時間內，開普勒望遠鏡一直運行正常並且表現出色，發現了眾多系外行星。所以在2012年初，項目被延期資助到了2016年。然而，延期後不久，當年7月14日，開普勒衛星上四個反作用輪之一出現了問題——反作用輪可以通過施加一定力矩從而改變望遠鏡的指向，對空間望遠鏡來說非常重要——通常來說，三個正常工作的反作用輪就可以將望遠鏡指向任何一個方向，所以開普勒的指向控制並沒有受到影響。但是，其他反作用輪壞掉的可能性大大增加了，這為開普勒衛星的未來蒙上了一絲陰影。

與此同時，NASA在2011年徵集了新的可能的空間項目，從提交的42個申請中篩選了11個作為培育項目，其中就包括TESS項目。在2013年最終決定之時，部分考慮到開普勒衛星可能的不幸結果，NASA選中了TESS。

不幸的是，人們對於「老將」開普勒的擔心，很快發生了。第一個反作用輪出故障不滿一年，2013年5月11日，第二個反作用輪也壞掉了，此時開普勒衛星已很難再精確保持固有的指向。要想保持指向，就要對反作用輪進行維修。

參考哈勃望遠鏡的先例，因類似的指向設備故障進行維修，花費實在不菲（哈勃的五次維修總共花費了55億美元，平均每次11億美元，而開普勒衛星的總費用只有5.5億美元，TESS衛星的花費約為3.4億美元）。經歷了一番權衡，考慮到新的系外行星探測衛星已在研製當中，NASA最終於2013年8月對外宣布：不再對開普勒衛星進行維修。開普勒衛星團隊也相應地提出了利用現有設備條件進行掃描觀測的方式，雖不及之前那麼高效，但依舊可以發現掃描路徑上的一些系外行星，這便是目前被稱為「K2計劃」的開普勒生命的第二個階段。

開啟新階段：

彌補前任不足，數據完全開放

在開普勒衛星發射之前，從1995年到2009年，人類才剛剛開始發現系外行星，還在為了追尋更多的系外行星而努力。在2009-2018年間，開普勒衛星發現了數以千計的系外行星，讓我們意識到了系外行星非常普遍。眼下，TESS項目將開啟行星研究的第三個階段了。

不過，開普勒衛星所發現的行星都比較遠——我們所熟知的地球大表哥Kepler452B，距離地球1400光年；德克薩斯大學科學家發現的「第二個太陽系」，距離我們2200光年——我們很難對它們的性質做出具體的分析和詳盡的研究。TESS即將發現的行星因為距離地球更近，可以彌補開普勒衛星發現上的不足，從而為科學家進一步深入研究這些行星的大氣組成等提供眾多的便利條件，它發現的這些行星無疑也會成為2020年發射的詹姆斯韋伯望遠鏡（JWST）觀測對象的上佳候選體。

截至2018年4月16日，3758顆系外行星已經被確認。在這當中，我們只發現了數目極少的地球大小的行星。可以想見的是，如果TESS測試成功且工作正常，或許，我們很快將發現更多與地球大小相類似的行星，從而揭開生命尋找的新篇章。

最後，更加讓人興奮和期待的一點是，TESS衛星的數據沒有數據保護期！這也就意味著，一旦開始觀測，不僅僅是團隊成員，團隊之外的任何人都可以及時地看到衛星發回來的數據。按照TESS團隊的說法，這樣做的目的是為了鼓勵更多人參與到尋找系外行星的活動中來，「發揮眾人的才智，做出更好的科學」。

視頻來源：YouTube

本文由科普中國融合創作出品，黑洞來客團隊製作，中國科學院計算機網路信息中心監製，「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌

（文章首發於科學大院，轉載請聯繫cas@cnic.cn）

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