NASA完成TESS太空望远镜发射寻找“第二地球”

北京时间今天早晨 6 点 51 分，号称“行星猎手”的 TESS 卫星搭乘 SpaceX 公司的猎鹰 9 号火箭成功发射升空。它不仅是作为即将于 2020 年前后升空的詹姆斯·韦伯望远镜的得力助手，也被看作是 NASA 此前发射的开普勒太空望远镜的继承者，肩负着发现更多系外行星乃至“第二地球”的重任。

图丨发射升空

“行星猎手”上线

在银河系中，类似于太阳的恒星多达 4000 万个，即便每颗恒星仅有一颗行星围绕它运行，那么这些行星的总的数量也将是个天文数字。那么，距离我们最近的地外行星在哪里？其中又有哪些值得进一步探索其大气化学组成乃至宜居性？旨在搜索太阳系临近恒星的凌日系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)）就将来解答这些问题。

图丨NASA发布的TESS宣传海报

TESS 项目由 NASA 天体物理探索项目支持，位于麻省剑桥的麻省理工学院为项目领导机构，位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德空间飞行中心为项目管理机构，麻省理工学院 Kavli 天体物理和空间研究所的 George Ricker 为项目首席科学家。

参加项目的其他机构包括 Orbital ATK 公司，NASA Ames 研究中心，哈佛-史密森尼天体物理研究中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics），空间望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute），以及世界各地的其他许多大学、研究机构和天文台。它的任务是对高亮度恒星进行搜索，寻找行星产生的凌星信号。TESS 体积不大，差不多相当于一台冰箱大小，重量为 350 公斤左右。其核心成像载荷由麻省理工学院设计和建造。

TESS 预期将发现围绕着高亮度恒星运转的数以千计的地外行星，在为期 2 年的任务期内，TESS 将观测 20 万颗恒星。它所使用的观测方法为“凌星法”，即当被观测行星运行到其母恒星和地球之间时，恒星的亮度因行星遮掩而减弱，并且这种亮度减弱现象的出现是周期性的，照此可以了解恒星周围有行星存在。这也是目前最为广泛的行星探测方法。

图丨凌星法

TESS 任务是第一个全天域普查的地外行星探索任务，其观测灵敏度足以发现位于各种可能轨道上的类地岩质行星和气态巨行星，而地面望远镜无法做到这一点。

麻省理工学院的 TESS 任务团队预期将借助 TESS 发现至少 50 颗地球大小的类地岩质行星。这些行星应该距离我们不太远，科学家可以进一步使用其他高倍望远镜观察其大气成分，甚至分析其宜居性。TESS 项目副主管 Natalia Guerrero 表示，“TESS 是一次全天域普查任务，旨在丰富人类目前仍非常不足的地外行星知识，为下一步的深入观测确定高价值目标。”

从高能现象到地外行星

TESS 的前身是麻省理工学院设计和建造的、并于 2000 年 10 月 9 日由 NASA 发射升空的一颗小型卫星——高能瞬态事件探测者 2 号（The High Energy Transient Explorer 2, HETE-2）。该卫星已经在太空运行 7 年，其任务是发现和定位高能伽马射线和 X 射线暴发现象。

图丨HETE-2

为了探测持续时间极短的伽马射线暴发现象，以首席科学家 George Ricker 为首的麻省理工学院团队，设计了一款能观测可见光和 X 射线的 CCD 相机，以此记录信号的强度和位置。团队成员 Joel Villasenor 表示，CCD 的发明是天文观测史上的一次飞跃，它使得信号处理变得非常简单。

图丨George Ricker

2004 年，Ricker 和 HETE-2 团队突发奇想：是否可以用 HETE-2 来观测地外行星？在当时，人类只发现了不到 200 颗地外行星，其中只有少数是用凌星法发现的。而根据最新的数据，人类发现的行星总数已经达到了 3700 个，借助更强大的太空望远镜，在十年之内，这一数字可能会上升到上万个。

Villasenor 表示，实践证明，HETE-2 的凌星探测尝试没有完全达到预期的效果。不过，这次尝试为后继的 CCD 成像地外行星探测任务奠定了基础。

TESS 任务之路

2006 年，Ricker 领导的麻省理工学院团队向 NASA 的探索任务项目提出了新的低成本小卫星方案 HETE-S。团队本拟自筹 2 千万美元经费，但鉴于成本太高，且地外行星的发现日益成为热点，团队决定寻求 NASA 的资助，申请 1.2 亿美元的项目经费。2008 年，团队正式向 NASA 小型探索任务项目提交了申请书，TESS 项目正式起步。

最初，TESS 包括 6 块 CCD 相机，预计运行于近地轨道，跟 HETE-2 任务类似。这种轨道设计有助于借助 HETE-2 任务的数据接收地面站以提高观测效率。

图丨TESS的相机设备

然而，团队发现，近地轨道的地球磁场太强，会导致卫星的显著抖动，这会对 TESS 的高灵敏度相机造成不可接受的干扰。

因此，NASA 拒绝了第一次项目申请。研究团队在 Orbital ATK 公司和 NASA 戈达德空间飞行中心的帮助下，开始重新设计一种被称为“月球共振”（lunar-resonant）的轨道。这种轨道可以在确保飞行器稳定的前提下提供全天域观测视野，这可以算的上是一次创举。

根据 Villasenor 的解释，在这条大偏心率轨道上，借助月球的引力，TESS 将在地球和月球之间往复运动。尽管月球对 TESS 的作用力方向和大小时刻在变化，但是力的合成效果相互抵消，使得 TESS 能维持数十年的高度稳定飞行。

图丨太空中的TESS

按照目前的轨道设计，TESS 将在 2 周内飞往月球附近，收集数据，然后掉头飞向地球，在距离地球 10.8 万千米的近地点，将数据传回地面站。这种往复运动在正常情况下无需开启发动机来保持轨道，因此非常节省燃料。

TESS 团队基于新的轨道设计，在 2010 年向 NASA 的探索项目提交了申请，并于 2013 年获批，此时正是开普勒太空望远镜第一阶段任务结束的时候。2009 年发射的开普勒望远镜专注于对太空中的一块区域进行长期持续观测，目的就是希望发现遥远行星的凌星信号。

2013 年，开普勒的 4 个用来控制卫星姿态的反作用轮中的 2 个失效，因此无法维持望远镜指向目标方向。到那时，开普勒发现的地外行星中已经有将近 1000 颗被确认。

图丨开普勒望远镜

但需要注意的是，开普勒任务跟 TESS 不同，前者是对一个方向进行固定观测，因此为了观测足够的恒星，不得不将该方向上的遥远恒星纳入观测目标；而 TESS 对全天域进行观测，因此只观测近地恒星就已经足够。除此以外，TESS 的能力也要比开普勒强大许多，其可以覆盖 85% 的天域，且观测能力是开普勒望远镜的 350 倍。

TESS 团队成员、麻省理工学院 Kavli 博士后 Jennifer Burt 当时表示，尽管开普勒任务只持续了 4 年，但是其丰硕成果令科学家兴奋异常——这证明地外行星在银河系中普遍存在。因此，他们计划启动更多的探测项目。这一次，他们不仅仅要发现行星，还希望对行星的大气特性进行更进一步的分析。

对全天域进行分块观测

NASA 批准后，TESS 团队在麻省理工学院林肯实验室建造和测试了这款相机。工程师为 TESS 任务专门打造了能在可见光和近红外波段工作的“深耗尽”（deep depletion）CCD 成像传感器，这对于观察红矮星很重要，因为红矮星温度较低，体积较小，发光远远弱于太阳，且相当部分的辐射能量位于红外波段。

如果恒星变暗的周期很短，那么就意味着地外行星距离母恒星很近，大多数被人类探测到的地外行星属于此类——因为凌星周期越短，越容易被探测到。进一步地，如果母恒星的温度较低，那么这颗行星就可能运行在母恒星的宜居带内。接下来，科学家就可以启动地面望远镜，对该行星的大气成分进行分析，以确定该行星是否适合生命存在。

TESS 的相机被安装在卫星顶部，外面附有锥形防护罩以避免干扰。每台相机的视场大小为 24 度×24 度，足以完全覆盖猎户座。TESS 将首先在南半球开始观测之旅，全天域被划分成 13 个条带，每个条带被观测 27 天，然后转向下一个条带。TESS 将在 1 年内完成对几乎全部的南部天空的观测，然后在第 2 年移师北部天空，继续对另外 13 个条带天域进行观测。

当 TESS 指向当前条带时，相机会持续拍摄照片。Ricker 团队列出了 20 万颗值得特别观测的高亮度恒星清单，TESS 将以 2 分钟为间隔进行小场景模式拍摄。此外，在某些特定天区，TESS 还将以全景模式以 30 分钟为间隔进行拍摄。

根据 Guerrero 的解释，2 分钟为间隔的拍摄模式，可以形成同一恒星的电影式照片序列，可以很容易地从中发现凌星信号。而 30 分钟为间隔的拍摄模式，可以用来观测超新星、小行星以及引发引力波的天文事件。当然，科学家也不完全确定自己到底能看到什么！

另一个地球？

TESS 发射之后，项目团队将在 1 周内与之建立通信联系，启动星上相机和其他设备。然后，麻省理工学院、Orbital ATK 公司和 NASA 的科学家和技术人员将用 60 天时间校准仪器，并检测卫星轨道和状态。随后，TESS 将正式开始科学数据采集。NASA 和麻省理工学院科学家负责将原始数据转换成亮度曲线。

接下来，以 TESS 任务科学副总监，地球、大气和行星科学教授 Sara Seager 为首的 TESS 科学团队将深入分析亮度曲线。若某颗恒星的亮度曲线存在至少 2 次相似的变化，那么就基本可以确认这是一颗行星。Seager 和同事将启动进一步的观测来确定行星的质量。

Seager 教授表示，只靠大小分辨行星类型是靠不住的，必须要计算出质量。比如，如果一颗行星的大小两倍于地球，那么它既可能是一颗拥有较薄大气层的类地岩质行星，也可能是一颗拥有岩质核心、但包被着浓厚大气层的“小型海王星”，后者不可能存在生命。而知道了质量，就可以计算出行星的平均密度，继而以很高的可靠性进一步确定行星的类型。

在 TESS 的 2 年任务期内，Seager 团队计划测量 50 颗地球大小的行星的质量，并从中挑选出可能满足宜居性的目标。同时，TESS 数据也会在仪器校准结束之后被公开发布，以便于全球科学界和爱好者分析数据并做出自己的发现。