剛剛，SpaceX完成最搶眼TESS太空望遠鏡發射任務，有希望為人類尋找「第二地球」

北京時間今天早晨 6 點 51 分，號稱「行星獵手」的 TESS 衛星搭乘 SpaceX 公司的獵鷹 9 號火箭成功發射升空。它不僅是作為即將於 2020 年前後升空的詹姆斯·韋伯望遠鏡的得力助手，也被看作是 NASA 此前發射的開普勒太空望遠鏡的繼承者，肩負著發現更多系外行星乃至「第二地球」的重任。

圖丨發射升空

「行星獵手」上線

在銀河系中，類似於太陽的恆星多達 4000 萬個，即便每顆恆星僅有一顆行星圍繞它運行，那麼這些行星的總的數量也將是個天文數字。那麼，距離我們最近的地外行星在哪裡？其中又有哪些值得進一步探索其大氣化學組成乃至宜居性？旨在搜索太陽系臨近恆星的凌日系外行星巡天衛星（Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)）就將來解答這些問題。

圖丨NASA發布的TESS宣傳海報

TESS 項目由 NASA 天體物理探索項目支持，位於麻省劍橋的麻省理工學院為項目領導機構，位於馬里蘭州格林貝爾特的 NASA 戈達德空間飛行中心為項目管理機構，麻省理工學院 Kavli 天體物理和空間研究所的 George Ricker 為項目首席科學家。

參加項目的其他機構包括 Orbital ATK 公司，NASA Ames 研究中心，哈佛-史密森尼天體物理研究中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics），空間望遠鏡科學研究所（Space Telescope Science Institute），以及世界各地的其他許多大學、研究機構和天文台。它的任務是對高亮度恆星進行搜索，尋找行星產生的凌星信號。TESS 體積不大，差不多相當於一台冰箱大小，重量為 350 公斤左右。其核心成像載荷由麻省理工學院設計和建造。

TESS 預期將發現圍繞著高亮度恆星運轉的數以千計的地外行星，在為期 2 年的任務期內，TESS 將觀測 20 萬顆恆星。它所使用的觀測方法為「凌星法」，即當被觀測行星運行到其母恆星和地球之間時，恆星的亮度因行星遮掩而減弱，並且這種亮度減弱現象的出現是周期性的，照此可以了解恆星周圍有行星存在。這也是目前最為廣泛的行星探測方法。

圖丨凌星法

TESS 任務是第一個全天域普查的地外行星探索任務，其觀測靈敏度足以發現位於各種可能軌道上的類地岩質行星和氣態巨行星，而地面望遠鏡無法做到這一點。

麻省理工學院的 TESS 任務團隊預期將藉助 TESS 發現至少 50 顆地球大小的類地岩質行星。這些行星應該距離我們不太遠，科學家可以進一步使用其他高倍望遠鏡觀察其大氣成分，甚至分析其宜居性。TESS 項目副主管 Natalia Guerrero 表示，「TESS 是一次全天域普查任務，旨在豐富人類目前仍非常不足的地外行星知識，為下一步的深入觀測確定高價值目標。」

從高能現象到地外行星

TESS 的前身是麻省理工學院設計和建造的、並於 2000 年 10 月 9 日由 NASA 發射升空的一顆小型衛星——高能瞬態事件探測者 2 號（The High Energy Transient Explorer 2, HETE-2）。該衛星已經在太空運行 7 年，其任務是發現和定位高能伽馬射線和 X 射線暴發現象。

為了探測持續時間極短的伽馬射線暴發現象，以首席科學家 George Ricker 為首的麻省理工學院團隊，設計了一款能觀測可見光和 X 射線的 CCD 相機，以此記錄信號的強度和位置。團隊成員 Joel Villasenor 表示，CCD 的發明是天文觀測史上的一次飛躍，它使得信號處理變得非常簡單。

圖丨George Ricker

2004 年，Ricker 和 HETE-2 團隊突發奇想：是否可以用 HETE-2 來觀測地外行星？在當時，人類只發現了不到 200 顆地外行星，其中只有少數是用凌星法發現的。而根據最新的數據，人類發現的行星總數已經達到了 3700 個，藉助更強大的太空望遠鏡，在十年之內，這一數字可能會上升到上萬個。

Villasenor 表示，實踐證明，HETE-2 的凌星探測嘗試沒有完全達到預期的效果。不過，這次嘗試為後繼的 CCD 成像地外行星探測任務奠定了基礎。

TESS 任務之路

2006 年，Ricker 領導的麻省理工學院團隊向 NASA 的探索任務項目提出了新的低成本小衛星方案 HETE-S。團隊本擬自籌 2 千萬美元經費，但鑒於成本太高，且地外行星的發現日益成為熱點，團隊決定尋求 NASA 的資助，申請 1.2 億美元的項目經費。2008 年，團隊正式向 NASA 小型探索任務項目提交了申請書，TESS 項目正式起步。

最初，TESS 包括 6 塊 CCD 相機，預計運行於近地軌道，跟 HETE-2 任務類似。這種軌道設計有助於藉助 HETE-2 任務的數據接收地面站以提高觀測效率。

圖丨TESS的相機設備

然而，團隊發現，近地軌道的地球磁場太強，會導致衛星的顯著抖動，這會對 TESS 的高靈敏度相機造成不可接受的干擾。

因此，NASA 拒絕了第一次項目申請。研究團隊在 Orbital ATK 公司和 NASA 戈達德空間飛行中心的幫助下，開始重新設計一種被稱為「月球共振」（lunar-resonant）的軌道。這種軌道可以在確保飛行器穩定的前提下提供全天域觀測視野，這可以算的上是一次創舉。

根據 Villasenor 的解釋，在這條大偏心率軌道上，藉助月球的引力，TESS 將在地球和月球之間往複運動。儘管月球對 TESS 的作用力方向和大小時刻在變化，但是力的合成效果相互抵消，使得 TESS 能維持數十年的高度穩定飛行。

圖丨太空中的TESS

按照目前的軌道設計，TESS 將在 2 周內飛往月球附近，收集數據，然後掉頭飛向地球，在距離地球 10.8 萬千米的近地點，將數據傳回地面站。這種往複運動在正常情況下無需開啟發動機來保持軌道，因此非常節省燃料。

TESS 團隊基於新的軌道設計，在 2010 年向 NASA 的探索項目提交了申請，並於 2013 年獲批，此時正是開普勒太空望遠鏡第一階段任務結束的時候。2009 年發射的開普勒望遠鏡專註於對太空中的一塊區域進行長期持續觀測，目的就是希望發現遙遠行星的凌星信號。

2013 年，開普勒的 4 個用來控制衛星姿態的反作用輪中的 2 個失效，因此無法維持望遠鏡指向目標方向。到那時，開普勒發現的地外行星中已經有將近 1000 顆被確認。

圖丨開普勒望遠鏡

但需要注意的是，開普勒任務跟 TESS 不同，前者是對一個方向進行固定觀測，因此為了觀測足夠的恆星，不得不將該方向上的遙遠恆星納入觀測目標；而 TESS 對全天域進行觀測，因此只觀測近地恆星就已經足夠。除此以外，TESS 的能力也要比開普勒強大許多，其可以覆蓋 85% 的天域，且觀測能力是開普勒望遠鏡的 350 倍。

TESS 團隊成員、麻省理工學院 Kavli 博士後 Jennifer Burt 當時表示，儘管開普勒任務只持續了 4 年，但是其豐碩成果令科學家興奮異常——這證明地外行星在銀河系中普遍存在。因此，他們計劃啟動更多的探測項目。這一次，他們不僅僅要發現行星，還希望對行星的大氣特性進行更進一步的分析。

對全天域進行分塊觀測

NASA 批准後，TESS 團隊在麻省理工學院林肯實驗室建造和測試了這款相機。工程師為 TESS 任務專門打造了能在可見光和近紅外波段工作的「深耗盡」（deep depletion）CCD 成像感測器，這對於觀察紅矮星很重要，因為紅矮星溫度較低，體積較小，發光遠遠弱於太陽，且相當部分的輻射能量位於紅外波段。

如果恆星變暗的周期很短，那麼就意味著地外行星距離母恆星很近，大多數被人類探測到的地外行星屬於此類——因為凌星周期越短，越容易被探測到。進一步地，如果母恆星的溫度較低，那麼這顆行星就可能運行在母恆星的宜居帶內。接下來，科學家就可以啟動地面望遠鏡，對該行星的大氣成分進行分析，以確定該行星是否適合生命存在。

TESS 的相機被安裝在衛星頂部，外面附有錐形防護罩以避免干擾。每台相機的視場大小為 24 度×24 度，足以完全覆蓋獵戶座。TESS 將首先在南半球開始觀測之旅，全天域被劃分成 13 個條帶，每個條帶被觀測 27 天，然後轉向下一個條帶。TESS 將在 1 年內完成對幾乎全部的南部天空的觀測，然後在第 2 年移師北部天空，繼續對另外 13 個條帶天域進行觀測。

當 TESS 指向當前條帶時，相機會持續拍攝照片。Ricker 團隊列出了 20 萬顆值得特別觀測的高亮度恆星清單，TESS 將以 2 分鐘為間隔進行小場景模式拍攝。此外，在某些特定天區，TESS 還將以全景模式以 30 分鐘為間隔進行拍攝。

根據 Guerrero 的解釋，2 分鐘為間隔的拍攝模式，可以形成同一恆星的電影式照片序列，可以很容易地從中發現凌星信號。而 30 分鐘為間隔的拍攝模式，可以用來觀測超新星、小行星以及引發引力波的天文事件。當然，科學家也不完全確定自己到底能看到什麼！

另一個地球？

TESS 發射之後，項目團隊將在 1 周內與之建立通信聯繫，啟動星上相機和其他設備。然後，麻省理工學院、Orbital ATK 公司和 NASA 的科學家和技術人員將用 60 天時間校準儀器，並檢測衛星軌道和狀態。隨後，TESS 將正式開始科學數據採集。NASA 和麻省理工學院科學家負責將原始數據轉換成亮度曲線。

接下來，以 TESS 任務科學副總監，地球、大氣和行星科學教授 Sara Seager 為首的 TESS 科學團隊將深入分析亮度曲線。若某顆恆星的亮度曲線存在至少 2 次相似的變化，那麼就基本可以確認這是一顆行星。Seager 和同事將啟動進一步的觀測來確定行星的質量。

Seager 教授表示，只靠大小分辨行星類型是靠不住的，必須要計算出質量。比如，如果一顆行星的大小兩倍於地球，那麼它既可能是一顆擁有較薄大氣層的類地岩質行星，也可能是一顆擁有岩質核心、但包被著濃厚大氣層的「小型海王星」，後者不可能存在生命。而知道了質量，就可以計算出行星的平均密度，繼而以很高的可靠性進一步確定行星的類型。

在 TESS 的 2 年任務期內，Seager 團隊計劃測量 50 顆地球大小的行星的質量，並從中挑選出可能滿足宜居性的目標。同時，TESS 數據也會在儀器校準結束之後被公開發布，以便於全球科學界和愛好者分析數據並做出自己的發現。

圖丨後續的行星探測計劃

在全球科學界和愛好者的努力下，Seager 相信，一顆滿足宜居條件的行星會在不久的將來被發現。之前的觀測已經證實，地外岩質行星非常普遍，因此在臨近恆星找到宜居行星已經不再是科學幻想，冒險才剛剛開始！