搜寻下一个地球：老兵不死，新兵亮剑！

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　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　引言：

　　北京时间4月19日6时51分，美国下一代凌星系外行星巡天卫星The Transiting Exoplanet Survey Satellite（下简称TESS）被SpaceX公司旗下明星火箭“猎鹰九号”送上了太空，开启了属于它的系外行星搜寻新时代。如同它陌生的名字一样，TESS就像猎巡系外行星战场上的“新兵蛋子”，并不为我们所熟知；而它的前任——如今依然还在用仅剩不多的燃料获取着更多宝贵数据的老兵开普勒卫星，却已是家喻户晓。

　　一、致敬老兵：

　　人类利用太空望远镜搜寻太阳系外行星的进程中，2009年上天的开普勒卫星无疑是开创历史的存在！它在太空中保持长时间稳定的姿态盯着银河上的一小片星空，完成了对15万颗恒星连续不断的亮度监测，通过观察恒星亮度变化从而发现它周围可能的系外行星候选体（也就是我们多次介绍过的凌星法transit）。

　　图1 开普勒卫星所监测的天区大小和位置（天琴座和天鹅座之间）（来源：NASA）

　　在顺利完成3年半的计划观测任务前，NASA根据它的优异表现计划将它延长服役至2016年，可是2013年维持姿态的四个反作用轮坏了两个后，它犹如一个受了重伤的老兵，无法再继续保持对之前天区的连续监测。

　　即便如此，通过4年积累的数据，它已经成功捕获了2343颗系外行星和2244颗候选体，比其他所有系外行星搜寻项目找到的行星总和还要多！诸如“地球2.0”开普勒452b这样的发现我们近些年已经听了好多，而最近大火的人工智能在开普勒数据宝库中也进一步发现了更多行星的结果，让我们更加认识到了这个老兵历久弥坚的价值。

　　2013年反作用轮损坏的噩耗传来，就当所有人以为开普勒就这样退出搜寻系外行星的战斗时，经过NASA工程师和科学家的共同努力，开普勒卫星起死回生，被赋予了新的使命——K2计划，也就是在无法长期稳定观察一片天空的情况下，通过利用剩余两个反作用轮和推进器维持姿态，让它对天空不同位置进行短时间的跟踪观测，继续系外行星的搜寻和其他科学工作。

　　经历了凤凰涅槃后，开普勒卫星的K2计划同样取得了309颗系外行星和480颗候选体的出色表现，比如有名的“葫芦娃兄弟”Trappist-1多行星系统，K2的数据就做出了重要的贡献。

　　就在一个月前，NASA宣布了对这个老兵剩余燃料情况的推测，这个再次超出K2计划预计寿命、已经在太空服役9年的老兵，将会在几个月后用尽燃料。届时，它将回到地球，结束它那光辉的生命历程，化作空中一团耀眼的焰火。

　　二、新兵入列：

　　老兵开普勒就像一座丰碑一样还在太空遨游着，新兵TESS已经带着人类更大的期待飞入太空，正式亮剑！

　　距离老兵上天已经一晃快十年过去了，开普勒卫星带给我们的对系外行星的科学发现还在继续着，而随着技术领域的进步突破以及更有针对性的设计制造，新兵TESS将用更高精尖的设备扛起进一步搜寻研究系外行星的大旗。

　　图2 实验室中的TESS卫星(来源：NASA)

　　那么，它和老兵开普勒相比，有哪些具体的不同和进步呢？新兵TESS上天后又将给我们带来哪些新发现呢？

　　1. 巡天观测的“新战术”：

　　众所周知，虽然老兵开普勒已经为我们带来了系外行星发现数目的爆炸性增长，其中也不乏多个与地球类似的类地行星和超级地球。但是这些行星往往都距离我们较远，而且本身又比较暗淡，很难用地面和空间的大望远镜进行更加精确细致的分析研究。

　　所以，新兵TESS就带着弥补这一不足的任务赶来了。

　　在搜寻策略上，开普勒是对着仅仅占整个天空面积0.25%的一小片天区不间断地连续监测，在15万颗恒星周围进行细致的搜寻排查；而TESS则把全天划分成了26个片区，要在上天后第一年巡视其中南半球的13个片区，到第二年再看完北半球相应的13个片区。通过不断调整自己的指向，最终覆盖90%的夜空，也就是我们所说的“巡天”。

　　图3 TESS观测策略，左图为26块天区扫描计划，右图不同颜色表示不同观测时长（来源：NASA）

　　它的观测重点是离我们较近且更为明亮的20万颗恒星。所以可以概括为从深度“抽样调查”转到近临“全天普查”。

　　老兵已经通过多年深入的小范围抽样调查，告诉了我们恒星周围的系外行星尤其是类地行星其实是普遍存在的。那么接下来，就让新兵去把全天中那些离我们较近的系外行星都找出来。再交给后面的大型地面空间观测设备对找到的重点目标（类地行星等）进行细致分析。所以新兵TESS可谓是人类进行搜寻类地行星和地外生命承上启下的重要一环！

　　图4 老兵和新兵观测天区对比。黄色为开普勒天区，蓝色为TESS天区（来源：NASA）

　　2. 从未用过的“新轨道”：

　　新的观测策略对于卫星的轨道提出了更高的要求：要想在卫星有限的寿命里，对全天范围连续进行多次高质量的稳定观测，既要保证望远镜目之所及处不受各种天体的遮挡和照射，又要使它处在一个较为稳定的温度和姿态控制环境下，还要尽可能的节省燃料，同时又得有机会把大量数据传输回地球，这些条件加在一起可谓苛刻至极。

　　为了满足上面的变态需求，TESS卫星的轨道设计师们可谓是绞尽脑汁。幸好他们发现，在2001年的一篇文章中，戈达德太空飞行中心的工程师就大胆提出过基本可以满足上述需求的轨道。便和文章作者们通力合作，历时数月，设计出了新兵TESS的轨道——2：1月球共振轨道P/2，这一轨道迄今为止还没有任何航天器使用过！

　　图5 未曾有航天器涉足过的新轨道：TESS轨道周期13.7天，近地点距离为17个地球半径，可以进行观测数据的下传，远地点为59个地球半径，已经十分接近月球轨道（来源：NASA） 

　　3. 异于老兵的“新武器”：

　　有了新轨道的保驾护航，新兵TESS靠什么来获取新的观测策略要求下的观测数据呢？科学家为新兵TESS装备了四只与众不同的眼睛——四个一模一样的宽视场相机，这便是采集数据的核心所在。每个相机由前端长长的遮光罩，中间入瞳直径10厘米的镜头和后端用于成像的科学CCD构成。

　　单纯从个头对比来说，新兵TESS四个镜头加起来还比老兵开普勒望远镜一个1.4米的主镜口径差很多。有人甚至会说，这不就是个高级一点的广角数码单反相机阵列嘛，大小连我家里的望远镜都赶不上。但事实上，它可要高级的多，就像制造它的人们所形容的那样“娇小却强大”。

　　下面就让我们来看看小身材里蕴涵的大智慧：

　　首先，为了遮挡太空中可能的各种杂散光，确保望远镜得到高精度的数据，工程师为它按装了长长的“睫毛”——遮光罩，即美丽又实用。

　　其次，新兵TESS会在两年的时间里巡视几乎整个天空，它的视场更大，也就是一次能看到的天空面积更大，四个相机加起来有24度x96度，而开普勒只有12度x12度，新兵TESS单次曝光拍摄覆盖的天空面积就是老兵开普勒的16倍！

　　为了满足既看的角度广，又看的清晰不变形，TESS的镜头共由7片精密的光学部件组成，这可是最适合它的“晶状体”了。

　　此外，最重要的，它对于红色光更加敏感，响应范围从600nm到1000nm。这一波段范围对观测比太阳温度更低也就是颜色更红的M矮星更为有利。宇宙中这类恒星数目比类太阳恒星要多的多，以现有的技术条件，在这一类恒星周围更容易找到位于可居住带内的行星。为此，麻省理工学院的林肯实验室研发了噪声和耗能更低，对红端响应更敏感的CCD，可是说是新兵TESS最牛的“视网膜”了。 

　　图6 TESS四只“眼睛”的构造（来源：MIT）

　　4. 令人期待的“新发现”：

　　在TESS上天之前，科学家已经基于开普勒的观测数据进行了大量系外行星性质的统计和分布研究，对新兵性能参数和实际观测情况也进行了大量的数值模拟工作，正所谓“知己知彼百战不殆”，科学家们基于充分的前期准备研究给新兵TESS的提出了一些“小目标”：

　　第一，巡视20万颗恒星，在其中太阳系紧邻较亮的恒星周围寻找周期小于10天，小于2.5倍地球半径的系外行星；同时在全天搜寻大于2.5倍地球半径的系外行星。

　　第二，对黄极点附近的约10000颗恒星周围进行重点搜寻，发现周期长于120天的系外行星。

　　第三，与其他望远镜和不同方法相配合，确定至少50颗小于4个地球半径的系外行星的质量。

　　有研究估计，新兵TESS或将发现2万颗系外行星。其中包括500颗左右的类地行星和超级地球，这里面不乏许多可能位于宜居带的行星存在。 

　　图7 新兵和老兵预计发现系外行星在行星半径和主星亮度空间的分布情况，我们可以看出，新兵TESS将会在更多亮星周围找到系外行星，有一些甚至我们肉眼就可以看到! (来源：NASA)

　　三、老兵遗产：

　　老兵开普勒服役9年积累了大量宝贵的数据，除了搜寻系外行星，还造福了变星、双星、星团、星震学等等许多天文领域的研究，基于它的研究文章层出不穷。它为包括新兵TESS在内的很多未来天文计划提供了大量的数据模拟支持和前期论证工作。不仅仅是在科学研究课题上，对于开普勒海量数据处理程序的编写和完善，同样是一笔宝贵财富。

　　虽然观测策略有所不同，但是新兵TESS的数据采集和处理过程，很多都是在开普勒的基础上优化改进而来，许多在老兵开普勒团队工作过的科学家正在为新兵TESS的数据处理分析做着各种工作。这些都是老兵开普勒留下的宝贵遗产。 

　　四、展望后辈：

　　新兵TESS上天后会揭开更多我们紧邻恒星周围“地球”们的神秘面纱，而一旦它能够锁定这些星球的位置，未来许多大型后续项目会对这些星球进行深入的研究。其中，接替哈勃太空望远镜的下一代大型空间望远镜詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST6.5m）计划于2020年上天，三个30米级地面望远镜TMT、GMT和ELT也将在未来十年间陆续建成使用。

　　图8 詹姆斯韦伯太空望远镜（左）和TMT效果图（左图来源:NASA；右图来源：TMT）

　　图9 GMT（左）和ELT（右）效果图（左图来源：GMTO；右图来源：ESO）

　　这些在新兵TESS眼中看来的庞然大物，将会对着TESS锁定的系外行星进行外科手术般的精细观测，研究它们的质量大气成分等物理化学性质，找寻可能存在生命的“蛛丝马迹”。 

　　结语：

　　还要经过两个月的飞行，新兵TESS才能正式进入那个从未有前辈到达过的轨道，开始它真正的系外行星巡天之旅。在这段旅途中，除了我们在时刻关注着它的一举一动之外，老兵开普勒同样在太空中注视着这个来接替它使命的新兵蛋子，倾其所有的把更多的经验传授给它。而在它之后，更多地面和空间的望远镜也在蓄势待发，等待用它的发现深入探索那些最可能存在生命的未知世界，搜寻下一个地球！在此，让我们一起感恩老兵开普勒，同时祝福新兵TESS。

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