搜尋下一個地球：老兵不死，新兵亮劍！

出品：科普中國

製作：序列號

監製：中國科學院計算機網路信息中心

引言：

北京時間4月19日6時51分，美國下一代凌星系外行星巡天衛星The Transiting Exoplanet Survey Satellite（下簡稱TESS）被SpaceX公司旗下明星火箭「獵鷹九號」送上了太空，開啟了屬於它的系外行星搜尋新時代。如同它陌生的名字一樣，TESS就像獵巡系外行星戰場上的「新兵蛋子」，並不為我們所熟知；而它的前任——如今依然還在用僅剩不多的燃料獲取著更多寶貴數據的老兵開普勒衛星，卻已是家喻戶曉。

一、致敬老兵：

人類利用太空望遠鏡搜尋太陽系外行星的進程中，2009年上天的開普勒衛星無疑是開創歷史的存在！它在太空中保持長時間穩定的姿態盯著銀河上的一小片星空，完成了對15萬顆恆星連續不斷的亮度監測，通過觀察恆星亮度變化從而發現它周圍可能的系外行星候選體（也就是我們多次介紹過的凌星法transit）。

開普勒衛星所監測的天區大小和位置（天琴座和天鵝座之間）（來源：NASA）

在順利完成3年半的計劃觀測任務前，NASA根據它的優異表現計劃將它延長服役至2016年，可是2013年維持姿態的四個反作用輪壞了兩個後，它猶如一個受了重傷的老兵，無法再繼續保持對之前天區的連續監測。

即便如此，通過4年積累的數據，它已經成功捕獲了2343顆系外行星和2244顆候選體，比其他所有系外行星搜尋項目找到的行星總和還要多！諸如「地球2.0」開普勒452b這樣的發現我們近些年已經聽了好多，而最近大火的人工智慧在開普勒數據寶庫中也進一步發現了更多行星的結果，讓我們更加認識到了這個老兵歷久彌堅的價值。

2013年反作用輪損壞的噩耗傳來，就當所有人以為開普勒就這樣退出搜尋系外行星的戰鬥時，經過NASA工程師和科學家的共同努力，開普勒衛星起死回生，被賦予了新的使命——K2計劃，也就是在無法長期穩定觀察一片天空的情況下，通過利用剩餘兩個反作用輪和推進器維持姿態，讓它對天空不同位置進行短時間的跟蹤觀測，繼續系外行星的搜尋和其他科學工作。

經歷了鳳凰涅槃後，開普勒衛星的K2計劃同樣取得了309顆系外行星和480顆候選體的出色表現，比如有名的「葫蘆娃兄弟」Trappist-1多行星系統，K2的數據就做出了重要的貢獻。

就在一個月前，NASA宣布了對這個老兵剩餘燃料情況的推測，這個再次超出K2計劃預計壽命、已經在太空服役9年的老兵，將會在幾個月後用盡燃料。屆時，它將回到地球，結束它那光輝的生命歷程，化作空中一團耀眼的焰火。

二、新兵入列：

老兵開普勒就像一座豐碑一樣還在太空遨遊著，新兵TESS已經帶著人類更大的期待飛入太空，正式亮劍！

距離老兵上天已經一晃快十年過去了，開普勒衛星帶給我們的對系外行星的科學發現還在繼續著，而隨著技術領域的進步突破以及更有針對性的設計製造，新兵TESS將用更高精尖的設備扛起進一步搜尋研究系外行星的大旗。

實驗室中的TESS衛星(來源：NASA)

那麼，它和老兵開普勒相比，有哪些具體的不同和進步呢？新兵TESS上天后又將給我們帶來哪些新發現呢？

1.巡天觀測的「新戰術」：

眾所周知，雖然老兵開普勒已經為我們帶來了系外行星發現數目的爆炸性增長，其中也不乏多個與地球類似的類地行星和超級地球。但是這些行星往往都距離我們較遠，而且本身又比較暗淡，很難用地面和空間的大望遠鏡進行更加精確細緻的分析研究。

所以，新兵TESS就帶著彌補這一不足的任務趕來了。

在搜尋策略上，開普勒是對著僅僅占整個天空面積0.25%的一小片天區不間斷地連續監測，在15萬顆恆星周圍進行細緻的搜尋排查；而TESS則把全天劃分成了26個片區，要在上天后第一年巡視其中南半球的13個片區，到第二年再看完北半球相應的13個片區。通過不斷調整自己的指向，最終覆蓋90%的夜空，也就是我們所說的「巡天」。

TESS觀測策略，左圖為26塊天區掃描計劃，右圖不同顏色表示不同觀測時長（來源：NASA）

它的觀測重點是離我們較近且更為明亮的20萬顆恆星。所以可以概括為從深度「抽樣調查」轉到近臨「全天普查」。

老兵已經通過多年深入的小範圍抽樣調查，告訴了我們恆星周圍的系外行星尤其是類地行星其實是普遍存在的。那麼接下來，就讓新兵去把全天中那些離我們較近的系外行星都找出來。再交給後面的大型地面空間觀測設備對找到的重點目標（類地行星等）進行細緻分析。所以新兵TESS可謂是人類進行搜尋類地行星和地外生命承上啟下的重要一環！

老兵和新兵觀測天區對比。黃色為開普勒天區，藍色為TESS天區（來源：NASA）

2.從未用過的「新軌道」：

新的觀測策略對於衛星的軌道提出了更高的要求：要想在衛星有限的壽命里，對全天範圍連續進行多次高質量的穩定觀測，既要保證望遠鏡目之所及處不受各種天體的遮擋和照射，又要使它處在一個較為穩定的溫度和姿態控制環境下，還要儘可能的節省燃料，同時又得有機會把大量數據傳輸回地球，這些條件加在一起可謂苛刻至極。

為了滿足上面的變態需求，TESS衛星的軌道設計師們可謂是絞盡腦汁。幸好他們發現，在2001年的一篇文章中，戈達德太空飛行中心的工程師就大膽提出過基本可以滿足上述需求的軌道。便和文章作者們通力合作，歷時數月，設計出了新兵TESS的軌道——2：1月球共振軌道P/2，這一軌道迄今為止還沒有任何航天器使用過！

未曾有航天器涉足過的新軌道：TESS軌道周期13.7天，近地點距離為17個地球半徑，可以進行觀測數據的下傳，遠地點為59個地球半徑，已經十分接近月球軌道（來源：NASA）

3.異於老兵的「新武器」：

有了新軌道的保駕護航，新兵TESS靠什麼來獲取新的觀測策略要求下的觀測數據呢？科學家為新兵TESS裝備了四隻與眾不同的眼睛——四個一模一樣的寬視場相機，這便是採集數據的核心所在。每個相機由前端長長的遮光罩，中間入瞳直徑10厘米的鏡頭和後端用於成像的科學CCD構成。

單純從個頭對比來說，新兵TESS四個鏡頭加起來還比老兵開普勒望遠鏡一個1.4米的主鏡口徑差很多。有人甚至會說，這不就是個高級一點的廣角數碼單反相機陣列嘛，大小連我家裡的望遠鏡都趕不上。但事實上，它可要高級的多，就像製造它的人們所形容的那樣「嬌小卻強大」。

下面就讓我們來看看小身材里蘊涵的大智慧：

首先，為了遮擋太空中可能的各種雜散光，確保望遠鏡得到高精度的數據，工程師為它按裝了長長的「睫毛」——遮光罩，即美麗又實用。

其次，新兵TESS會在兩年的時間裡巡視幾乎整個天空，它的視場更大，也就是一次能看到的天空面積更大，四個相機加起來有24度x96度，而開普勒只有12度x12度，新兵TESS單次曝光拍攝覆蓋的天空面積就是老兵開普勒的16倍！

為了滿足既看的角度廣，又看的清晰不變形，TESS的鏡頭共由7片精密的光學部件組成，這可是最適合它的「晶狀體」了。

此外，最重要的，它對於紅色光更加敏感，響應範圍從600nm到1000nm。這一波段範圍對觀測比太陽溫度更低也就是顏色更紅的M矮星更為有利。宇宙中這類恆星數目比類太陽恆星要多的多，以現有的技術條件，在這一類恆星周圍更容易找到位於可居住帶內的行星。為此，麻省理工學院的林肯實驗室研發了雜訊和耗能更低，對紅端響應更敏感的CCD，可是說是新兵TESS最牛的「視網膜」了。

TESS四隻「眼睛」的構造（來源：MIT）

4.令人期待的「新發現」：

在TESS上天之前，科學家已經基於開普勒的觀測數據進行了大量系外行星性質的統計和分布研究，對新兵性能參數和實際觀測情況也進行了大量的數值模擬工作，正所謂「知己知彼百戰不殆」，科學家們基於充分的前期準備研究給新兵TESS的提出了一些「小目標」：

第一，巡視20萬顆恆星，在其中太陽繫緊鄰較亮的恆星周圍尋找周期小於10天，小於2.5倍地球半徑的系外行星；同時在全天搜尋大於2.5倍地球半徑的系外行星。

第二，對黃極點附近的約10000顆恆星周圍進行重點搜尋，發現周期長於120天的系外行星。

第三，與其他望遠鏡和不同方法相配合，確定至少50顆小於4個地球半徑的系外行星的質量。

有研究估計，新兵TESS或將發現2萬顆系外行星。其中包括500顆左右的類地行星和超級地球，這裡面不乏許多可能位於宜居帶的行星存在。

新兵和老兵預計發現系外行星在行星半徑和主星亮度空間的分布情況，我們可以看出，新兵TESS將會在更多亮星周圍找到系外行星，有一些甚至我們肉眼就可以看到! (來源：NASA)

三、老兵遺產：

老兵開普勒服役9年積累了大量寶貴的數據，除了搜尋系外行星，還造福了變星、雙星、星團、星震學等等許多天文領域的研究，基於它的研究文章層出不窮。它為包括新兵TESS在內的很多未來天文計劃提供了大量的數據模擬支持和前期論證工作。不僅僅是在科學研究課題上，對於開普勒海量數據處理程序的編寫和完善，同樣是一筆寶貴財富。

雖然觀測策略有所不同，但是新兵TESS的數據採集和處理過程，很多都是在開普勒的基礎上優化改進而來，許多在老兵開普勒團隊工作過的科學家正在為新兵TESS的數據處理分析做著各種工作。這些都是老兵開普勒留下的寶貴遺產。

四、展望後輩：

新兵TESS上天后會揭開更多我們緊鄰恆星周圍「地球」們的神秘面紗，而一旦它能夠鎖定這些星球的位置，未來許多大型後續項目會對這些星球進行深入的研究。其中，接替哈勃太空望遠鏡的下一代大型空間望遠鏡詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST6.5m）計劃於2020年上天，三個30米級地面望遠鏡TMT、GMT和ELT也將在未來十年間陸續建成使用。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡（左）和TMT效果圖（左圖來源:NASA；右圖來源：TMT）

GMT（左）和ELT（右）效果圖（左圖來源：GMTO；右圖來源：ESO）

這些在新兵TESS眼中看來的龐然大物，將會對著TESS鎖定的系外行星進行外科手術般的精細觀測，研究它們的質量大氣成分等物理化學性質，找尋可能存在生命的「蛛絲馬跡」。

結語：

還要經過兩個月的飛行，新兵TESS才能正式進入那個從未有前輩到達過的軌道，開始它真正的系外行星巡天之旅。在這段旅途中，除了我們在時刻關注著它的一舉一動之外，老兵開普勒同樣在太空中注視著這個來接替它使命的新兵蛋子，傾其所有的把更多的經驗傳授給它。而在它之後，更多地面和空間的望遠鏡也在蓄勢待發，等待用它的發現深入探索那些最可能存在生命的未知世界，搜尋下一個地球！在此，讓我們一起感恩老兵開普勒，同時祝福新兵TESS。

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