準備好迎接一大批系外行星了嗎？NASA 最新的系外行星搜尋項目首戰告捷

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作為 NASA 開普勒任務的繼任者，凌日系外行星勘測衛星（TESS）已經有所收穫。這顆行星在今年 4 月發射，然後進行了一段時間的調試和校準。現在它已經開始了自己的科學使命，研究人員近期宣布，已經通過發現了兩顆新行星。

這預計將是 TESS 發現的上萬顆行星中的第一步。所以我們認為，這是一個絕佳的機會，來全面了解一下這個系外行星獵手的設計，設計目標，以及它的成功對我們理解系外行星的意義。

圖丨凌日系外行星勘測衛星（TESS）（來源：NASA）

4 台望遠鏡

TESS 的機身很簡單，主要由燃料箱和推進器組成。它有能夠精確控制方向的反應輪，和一對提供動力的太陽能電池板。TESS 還有一個遮陽板，用於保護 4 台望遠鏡。這些望遠鏡（每個疊加在感光成像硬體上方的七個鏡頭）被設計用於捕捉廣闊的天空，而不是用來聚焦那些微弱的物體。

TESS 在同一個區域內拍攝大約一個月的時間，然後再切換到下一個區域。在一年的時間裡，它能夠捕捉到半球的大部分天空。在第二年，它將轉到另一個半球進行觀測。如果它的硬體在兩年後仍能正常運行，它將能拍攝完成大部分天空，然後接著再開始同樣的拍攝周期。

這樣觀測的好處是，在幾個月的時間裡，我們可以看到整個天空和廣闊的視野。因此，據估計，TESS發現的行星數量將會是開普勒執行任務期間的三到四倍。

雖然 TESS 的硬體設計是為了捕捉到與太陽大小相似的明亮恆星，但它對光譜較紅端的光線更敏感。這使它能夠在拍攝相對較近的矮星，這十分具科學價值。首先，矮星是銀河系中最常見的恆星，所以可供觀測的目標有很多。其次，它們較小的體積意味著行星能夠遮擋來自於恆星較大部分的光，使它們更容易被發現。最後，光亮較弱的矮星往往意味著周圍存在宜居帶（可能存在液態水）。靠近恆星意味著軌道周期較短，因此宜居帶內的行星往往可能形成在一個月以內的軌道，這也使它們更容易被發現。

成像硬體每兩秒鐘就能拍攝一次快照，但是衛星上並沒有足夠的存儲空間來支持這種速度的持續拍攝，而且將圖像實時傳送回地球的寬頻要求非常高。因此，圖像會每半小時被集合在一起，以減少噪音和小的隨機波動，它們將被儲存在衛星上，然後一次性傳輸回地球。

此外，在每兩分鐘的間隔里，會有一部分恆星被選中來進行更細緻的觀察。在這種情況下，為了產生更多有效的數據，拍攝畫面的多餘像素將被裁減掉，只留下一個包含恆星的小段。選擇這種處理方法的恆星，往往是那些相對較亮或較近的恆星，便於通過地面觀察進行簡單的跟蹤，也容易與干擾觀測的背景物體相分離。

工作原理

系外行星研究人員已經為系外行星的發現設定了標準，他們不接受將單一的恆星光線變暗作為行星存在的標誌，因為畢竟有太多罕見事件可能導致這種變暗。如果只通過凌日法探測一顆行星，必須不時地看到多束變暗光線，以反映一致的軌道。如果做不到這一點，就必須有其他的方法來證實系外行星的存在，比如它對宿主恆星或圍繞同一恆星運行的其他行星的引力影響。

TESS 還沒有足夠長的時間來捕獲單個行星的多個軌道。但在至少這兩個案例中，科學家已經在未經徹底分析的數據中進行了額外觀察。並且，TESS 團隊已經準備好了兩篇關於它觀察到的新行星的論文。

這兩個新發現的行星其中一個在距離地球約 60 光年的π Mensae 星座。在那裡有一顆巨大的氣態巨行星，它有著需要 6 年時間才能完成的偏心軌道。現在 TESS 發現的π Mensae c，是一顆每 6.25 天公轉一次的超級行星。它的近距離軌道可能保護了它免受與已知巨行星的重力相互作用。

目前，HARPS 望遠鏡已經對πMensae 星座進行過拍攝，並測量了它在其附近行星周圍被影響時的光線變化。在分析中，附加數據證實了πMensae c 的存在，並表明它的質量約為地球質量的 4.8 倍。結合 TESS 的數據，我們發現該行星的半徑是地球的 2.1 倍。最終，我們算出這顆行星的密度，與純凈水的密度相近。它極有可能是一顆具有岩石核心、大氣中含有水蒸氣和其他較輕氣體的海洋行星。

現在我們已知的另一顆系外行星位於 50 光年外——圍繞 M 矮星 LHS 3844 軌道運行。這顆行星只比地球略大，因為軌道距離非常近，它只用 11 個小時即可完成一個完整的公轉軌道。但近距離靠近恆星，也使它的溫度達到了 800 開爾文，甚至比金星的溫度更高。此外，之前對該區域進行的其他觀測結果也證實了該行星的存在。

接下來的工作

在某種程度上，如果僅僅是為了擴大已知行星的目錄，我們其實並不需要將衛星送上太空來尋找新的系外行星，現有的地面設備就可以做到這些。而且目前已知的大約 3500 顆系外行星，已經為我們提供了一個了解不同大小等級的普通行星的良好視角。另一方面，TESS 的觀察周期也意味著我們將一個月的拍攝期內，錯過任何沒有碰巧在其恆星面前經過的行星。

這也意味著 TESS 並不會填補我們目前在行星探索領域的最大空白之一：在類地距離或更遠的軌道上運行的行星頻率。

圖丨TESS 對天空的分割圖

那麼為什麼 TESS 在太空而不是地面進行觀測呢？你可以將其視為這是對未來的投資。

雖然開普勒讓我們了解到典型行星的大小，但我們對它們的構成並沒有很好的認識。即使徑向速度測量提供了行星的整體密度，但通常也存在多種不同的行星構成。例如上文提到的π Mensae，任何與岩石密度相似的物質大小將直接關係到它的大氣及構成它的氣體大小。

另一方面，大氣對生命而言是至關重要的。雖然我們談論一個行星是否宜居時，大多是基於宿主恆星的光照，但實際的宜居性對行星大氣中的溫室氣體成分要求極高。用一位該領域研究人員的話說，如果你調整大氣的成分，你可以把一個位於宜居帶的行星變成一個冰凍的荒地、一個灼熱的地獄，或者任何介於兩者之間的東西。

好在儘管很難，我們依舊可以研究。每當一顆行星從它的主恆星前面經過時，它發出的一小部分光線首先穿過行星的大氣層，並與大氣相互作用。這些氣體在我們得到的光線中留下了線索。儘管它們對整體光線的影響很小，但通過足夠的過渡成像，仍然可以讀取這些線索信息。這項工作的精確度取決於望遠鏡的質量，恆星的亮度和大氣層的大小，該方法對於與地球相近的行星是可行的。

我們需要的是類似開普勒對行星大氣層探索一樣工具——使我們更好地探知大氣以及其中是否存在典型的分子物質。但不幸的是，這並不可行。開普勒是一架測量望遠鏡，它發現了這些行星，但並不能高解析度來拍攝它們的大氣層。這並不是開普勒的問題，因為這兩個任務對望遠鏡的要求有些矛盾，觀測大氣需要高解析度，而發現行星在低解析度下的效果最好。

TESS 可以被視作類似開普勒項目的前半部分。它將有助於找到許多行星，包括一些非常近、可以被現有設備拍攝的行星。但這主要是為目前正在建造的巨型望遠鏡比如詹姆斯韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）奠定基礎。這些有待發射的望遠鏡都將大大擴展我們在銀河系的視角，增加我們對行星大氣層的成像距離。（要知道，成像的空間體積會隨著成像半徑的立方而增加）

總的來說，你可以將開普勒看作是一個潛在項目的探索階段，確定我們探索系外行星的可行性。接下來，TESS 是第二階段，識別在我們現有或近期技術觀測範圍內的系外行星。從現在開始的十年後將是這個項目的投資回收期，那時我們將對系外行星的大氣層有更深刻的認知，並了解在這些行星上存在生命的可能性。

來源：DeepTech深科技

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