NASA最新的系外行星搜寻项目首战告捷

　　作为 NASA 开普勒任务的继任者，凌日系外行星勘测卫星（TESS）已经有所收获。这颗行星在今年 4 月发射，然后进行了一段时间的调试和校准。现在它已经开始了自己的科学使命，研究人员近期宣布，已经通过发现了两颗新行星。

　　这预计将是 TESS 发现的上万颗行星中的第一步。所以我们认为，这是一个绝佳的机会，来全面了解一下这个系外行星猎手的设计，设计目标，以及它的成功对我们理解系外行星的意义。

　　TESS 的机身很简单，主要由燃料箱和推进器组成。它有能够精确控制方向的反应轮，和一对提供动力的太阳能电池板。TESS 还有一个遮阳板，用于保护 4 台望远镜。这些望远镜（每个叠加在感光成像硬件上方的七个镜头）被设计用于捕捉广阔的天空，而不是用来聚焦那些微弱的物体。

　　TESS 在同一个区域内拍摄大约一个月的时间，然后再切换到下一个区域。在一年的时间里，它能够捕捉到半球的大部分天空。在第二年，它将转到另一个半球进行观测。如果它的硬件在两年后仍能正常运行，它将能拍摄完成大部分天空，然后接着再开始同样的拍摄周期。

　　这样观测的好处是，在几个月的时间里，我们可以看到整个天空和广阔的视野。因此，据估计，TESS发现的行星数量将会是开普勒执行任务期间的三到四倍。

　　虽然 TESS 的硬件设计是为了捕捉到与太阳大小相似的明亮恒星，但它对光谱较红端的光线更敏感。这使它能够在拍摄相对较近的矮星，这十分具科学价值。首先，矮星是银河系中最常见的恒星，所以可供观测的目标有很多。其次，它们较小的体积意味着行星能够遮挡来自于恒星较大部分的光，使它们更容易被发现。最后，光亮较弱的矮星往往意味着周围存在宜居带（可能存在液态水）。靠近恒星意味着轨道周期较短，因此宜居带内的行星往往可能形成在一个月以内的轨道，这也使它们更容易被发现。

　　成像硬件每两秒钟就能拍摄一次快照，但是卫星上并没有足够的存储空间来支持这种速度的持续拍摄，而且将图像实时传送回地球的宽带要求非常高。因此，图像会每半小时被集合在一起，以减少噪音和小的随机波动，它们将被储存在卫星上，然后一次性传输回地球。

　　此外，在每两分钟的间隔里，会有一部分恒星被选中来进行更细致的观察。在这种情况下，为了产生更多有效的数据，拍摄画面的多余像素将被裁减掉，只留下一个包含恒星的小段。选择这种处理方法的恒星，往往是那些相对较亮或较近的恒星，便于通过地面观察进行简单的跟踪，也容易与干扰观测的背景物体相分离。

　　系外行星研究人员已经为系外行星的发现设定了标准，他们不接受将单一的恒星光线变暗作为行星存在的标志，因为毕竟有太多罕见事件可能导致这种变暗。如果只通过凌日法探测一颗行星，必须不时地看到多束变暗光线，以反映一致的轨道。如果做不到这一点，就必须有其他的方法来证实系外行星的存在，比如它对宿主恒星或围绕同一恒星运行的其他行星的引力影响。

　　TESS 还没有足够长的时间来捕获单个行星的多个轨道。但在至少这两个案例中，科学家已经在未经彻底分析的数据中进行了额外观察。并且，TESS 团队已经准备好了两篇关于它观察到的新行星的论文。

　　这两个新发现的行星其中一个在距离地球约 60 光年的π Mensae 星座。在那里有一颗巨大的气态巨行星，它有着需要 6 年时间才能完成的偏心轨道。现在 TESS 发现的π Mensae c，是一颗每 6.25 天公转一次的超级行星。它的近距离轨道可能保护了它免受与已知巨行星的重力相互作用。

　　目前，HARPS 望远镜已经对πMensae 星座进行过拍摄，并测量了它在其附近行星周围被影响时的光线变化。在分析中，附加数据证实了πMensae c 的存在，并表明它的质量约为地球质量的 4.8 倍。结合 TESS 的数据，我们发现该行星的半径是地球的 2.1 倍。最终，我们算出这颗行星的密度，与纯净水的密度相近。它极有可能是一颗具有岩石核心、大气中含有水蒸气和其他较轻气体的海洋行星。

　　现在我们已知的另一颗系外行星位于 50 光年外——围绕 M 矮星 LHS 3844 轨道运行。这颗行星只比地球略大，因为轨道距离非常近，它只用 11 个小时即可完成一个完整的公转轨道。但近距离靠近恒星，也使它的温度达到了 800 开尔文，甚至比金星的温度更高。此外，之前对该区域进行的其他观测结果也证实了该行星的存在。

　　在某种程度上，如果仅仅是为了扩大已知行星的目录，我们其实并不需要将卫星送上太空来寻找新的系外行星，现有的地面设备就可以做到这些。而且目前已知的大约 3500 颗系外行星，已经为我们提供了一个了解不同大小等级的普通行星的良好视角。另一方面，TESS 的观察周期也意味着我们将一个月的拍摄期内，错过任何没有碰巧在其恒星面前经过的行星。

　　这也意味着 TESS 并不会填补我们目前在行星探索领域的最大空白之一：在类地距离或更远的轨道上运行的行星频率。

　　那么为什么 TESS 在太空而不是地面进行观测呢？你可以将其视为这是对未来的投资。

　　虽然开普勒让我们了解到典型行星的大小，但我们对它们的构成并没有很好的认识。即使径向速度测量提供了行星的整体密度，但通常也存在多种不同的行星构成。例如上文提到的π Mensae，任何与岩石密度相似的物质大小将直接关系到它的大气及构成它的气体大小。

　　另一方面，大气对生命而言是至关重要的。虽然我们谈论一个行星是否宜居时，大多是基于宿主恒星的光照，但实际的宜居性对行星大气中的温室气体成分要求极高。用一位该领域研究人员的话说，如果你调整大气的成分，你可以把一个位于宜居带的行星变成一个冰冻的荒地、一个灼热的地狱，或者任何介于两者之间的东西。

　　好在尽管很难，我们依旧可以研究。每当一颗行星从它的主恒星前面经过时，它发出的一小部分光线首先穿过行星的大气层，并与大气相互作用。这些气体在我们得到的光线中留下了线索。尽管它们对整体光线的影响很小，但通过足够的过渡成像，仍然可以读取这些线索信息。这项工作的精确度取决于望远镜的质量，恒星的亮度和大气层的大小，该方法对于与地球相近的行星是可行的。

　　我们需要的是类似开普勒对行星大气层探索一样工具——使我们更好地探知大气以及其中是否存在典型的分子物质。但不幸的是，这并不可行。开普勒是一架测量望远镜，它发现了这些行星，但并不能高分辨率来拍摄它们的大气层。这并不是开普勒的问题，因为这两个任务对望远镜的要求有些矛盾，观测大气需要高分辨率，而发现行星在低分辨率下的效果最好。

　　TESS 可以被视作类似开普勒项目的前半部分。它将有助于找到许多行星，包括一些非常近、可以被现有设备拍摄的行星。但这主要是为目前正在建造的巨型望远镜比如詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）奠定基础。这些有待发射的望远镜都将大大扩展我们在银河系的视角，增加我们对行星大气层的成像距离。（要知道，成像的空间体积会随着成像半径的立方而增加）

　　总的来说，你可以将开普勒看作是一个潜在项目的探索阶段，确定我们探索系外行星的可行性。接下来，TESS 是第二阶段，识别在我们现有或近期技术观测范围内的系外行星。从现在开始的十年后将是这个项目的投资回收期，那时我们将对系外行星的大气层有更深刻的认知，并了解在这些行星上存在生命的可能性。

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