NASA 的 TESS 衛星將執行什麼任務？如何看待它將搭乘獵鷹 9 號火箭升空？

原文：NASA TESS下周一搭乘獵鷹9火箭升空 尋找外星生命

作者：黑洞來客團隊（苟利軍 @Flyingspace、黃月）

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不過我想，TESS一定不會覺得有什麼，它本身的經歷比這曲折多了。

TESS衛星項目的想法開始於2006年，當時得到了谷歌種子基金、Kavli基金會和MIT的私人資助。最初本想以私人基金髮射此衛星，不過因耗資巨大，MIT建議從NASA申請支持，並在2008年提交了申請。當時，因開普勒衛星即將發射，TESS在首輪競爭中敗下陣來。最終在2013年的第二輪角逐中被NASA選中，成為了政府支持項目。在某種程度上，這一輪里TESS的部分好運氣來自開普勒的壞運氣——原本一直表現出色的開普勒衛星，在2012年突然出現了反作用輪（reaction wheel）失效的故障。

在發射後的首個計劃運行時間內，開普勒望遠鏡一直運行正常並且表現出色，發現了眾多系外行星。所以在2012年初，項目被延期資助到了2016年。然而，延期後不久，當年7月14日，開普勒衛星上四個反作用輪之一出現了問題——反作用輪可以通過施加一定力矩從而改變望遠鏡的指向，對空間望遠鏡來說非常重要——通常來說，三個正常工作的反作用輪就可以將望遠鏡指向任何一個方向，所以開普勒的指向控制並沒有受到影響。但是，其他反作用輪壞掉的可能性大大增加了，這為開普勒衛星的未來蒙上了一絲陰影。

與此同時，NASA在2011年徵集了新的可能的小型空間衛星項目，從提交的42個申請中篩選了11個作為培育項目，其中就包括TESS項目。在2013年最終決定之時，部分考慮到開普勒衛星可能的不幸結果，NASA選中了TESS。

不幸的是，人們對於「老將」開普勒的擔心，很快發生了。第一個反作用輪出故障不滿一年，2013年5月11日，第二個反作用輪也壞掉了，此時開普勒衛星已很難再精確保持固有的指向。要想保持指向，就要對反作用輪進行維修。

參考哈勃望遠鏡的先例，類似的指向設備故障進行維修，花費實在不菲（哈勃的五次維修總共花費了55億美元，平均每次11億美元，而開普勒衛星的總費用只有5.5億美元，TESS衛星的花費約為3.4億美元）。經歷了一番權衡，考慮到新的系外行星探測衛星已在研製當中，NASA最終於2013年8月對外宣布：不再對開普勒衛星進行維修。開普勒衛星團隊也相應地提出了利用現有設備條件進行掃描觀測的方式，雖不及之前那麼高效，但依舊可以發現掃描路徑上的一些系外行星，這便是目前被稱為「K2計劃」的開普勒生命的第二個階段。

可以說，TESS的推進，是以開普勒出現故障為契機的。

最終，系外行星探測衛星TESS（苔絲）在美東時間18日18時51分（北京時間19日6時51分），從佛羅里達州卡納維拉爾角——這個世界上最知名的發射基地升空。它將被SpaceX Falcon 9火箭送至距離地球200公里的月球轉移軌道上，開始漫長而複雜的入軌進程。

在TESS之前，另一顆已在天上工作了9年之久的系外行星探測衛星也是在這裡被送上天的——以16世紀德國天文學家開普勒（Kepler）命名的望遠鏡——這一次，TESS要去接班了。

• TESS衛星將執行哪些任務？

由美國麻省理工學院教授George Ricker領頭研發的TESS衛星，其英文全稱為Transiting Exoplanet Survey Satellite，中文意為「凌星系外行星巡天衛星」。此處有兩個詞值得我們注意，它們是接班人TESS的重要特徵之二：一是「凌星（transiting）」，二是「巡天（survey）」。

從這倆詞里也可以看出TESS衛星將執行的任務，它會對整個天空進行巡視，將使用凌星法來發現新的系外行星，目的是找到那些距離我們地球300光年之內而並且很亮的恆星周圍的行星。

作為接班人，TESS不免會被拿來和前輩開普勒進行比較，我們可以從工作原理、工作模式和運行軌道這三個方面說說它們的異同。

• TESS的工作原理和開普勒一樣——從陰影中發現光明

它們使用的都是「凌星法」。

「凌星」其實並不難理解：行星圍繞中心恆星轉動，當行星繞轉到恆星前側的時候——因行星本身不發光，而又有大小——會遮擋住來自於恆星的一部分光線，從而使得我們觀察到的恆星亮度有一個微小的變暗。

所謂「凌星法」，指的就是這種通過恆星亮度變暗來推測行星之存在的方法。

這種「從陰影中發現光明」的探測方法，不僅易於判斷行星的存在，而且便於科學家們推斷行星存在的個數。每一個行星都在恆星亮度演化圖上留下了一個因遮擋導致的小坑，所以只要能夠推斷出坑的個數，科學家就能夠得知恆星周圍行星的數目了。

讓我們想想看，相較於恆星本身，行星通常要小得多，而且遠在數光年之外，我們能觀察到的因行星遮擋產生的亮度變化應該很小。即便是按照目前對巨行星的估計來看，其遮擋也只會導致中心恆星亮度百分之一的降低。但是，開普勒與TESS都使用了凌星法來探測系外行星，原因在於，太空中望遠鏡性能通常非常穩定，沒有大氣干擾，它們能夠很容易測量到如此微小、甚至更小的變化。

科學家們還有著諸如視向速度法、直接觀測法和微引力透鏡法等其它一些探測方式，但都相對比較複雜、難以實現和觀測。所以，凌星法也是目前使用最為廣泛的一種探測方式。

• 開普勒只指向特定天區，TESS則用四隻眼睛巡視全天

名字中的「巡天」，標誌著TESS和其他之前的項目在尋找系外行星工作模式上的差別，這一點也是它與前輩開普勒之間的最顯著不同。

自2009年3月發射，直至2013年5月，開普勒望遠鏡一直指向天琴座和天鵝座的一塊狹小區域（1%的天區），從不指向其它方向。開普勒望遠鏡希望通過對這一區域內大約15萬顆、距離在1000-3000光年的恆星進行持續不斷的觀測，從而觀測到微小的亮度變化，以此發現新的行星。（2013年5月之後，因反作用輪發生故障，望遠鏡無法精確唯一地指向一個方向，從而將工作模式變成了掃描模式。）

志在「巡天」的TESS衛星則完全不同，它並不指向一個特定區域，而是對整個天空進行巡視，希望找到那些距離我們地球300光年之內而並且很亮的恆星周圍的行星。我們知道，南北半球加起來，我們的肉眼只能看到大約8000顆恆星，然而TESS的「機器眼」可以探測到至少20萬顆恆星，是人類肉眼可見的25倍之多！

所以，TESS的結構構造也和開普勒迥異。TESS由四個完全一樣的望遠鏡構成，相當於四個望遠鏡同時掃描，可以縮短全天掃描時間——這對於想要用兩年時間觀測完整個天空的TESS來說非常必要。同時，因為TESS只對地球附近的、或很亮的恆星進行觀測，所以不需要很大的口徑，它的每一個望遠鏡口徑只有10厘米，和大多數業餘望遠鏡的口徑差不多，而開普勒僅由一個口徑95厘米的望遠鏡構成。

• 開普勒繞太陽轉動，TESS繞地球轉，而且有一個獨一無二的軌道

為了實現各自的觀測目的，TESS衛星的軌道和開普勒也完全不同。TESS與開普勒之間這個比喻意義上的「接棒」，並不意味著它們能夠當面交接工作。

對於開普勒衛星而言，因為它指向天空的某個特定方向，所以採用了尾隨地球（earth-trailing）、繞太陽轉動的方式，周期達372.57天。

TESS是對整個天空進行觀測，所以最終它是繞地球旋轉的，繞轉周期為13.7天；它首先將用一年時間掃描南天球，接下來的一年將對北天球進行掃描。

為了讓TESS衛星在保持軌道穩定的同時儘可能遠離地球，從而保證衛星在沒有遮擋的情況下，有足夠多的時間對每個設定的天區進行觀測，科學家們為TESS衛星設計了一個獨一無二的軌道——一個近地點為17個地球半徑、遠地點為59個地球半徑的高度橢圓軌道。

這個軌道的特殊之處在於，它能夠在月球和地球的引力之下保持相對穩定，並且和月球軌道形成一個1：2的共振關係（簡稱為P/2）。這便意味著TESS衛星的軌道周期只有月球周期的一半（即13.7天）。在這一軌道上，每當衛星處於遠地點時，月球就會處於衛星之前或之後90度的地方，從而最大程度低降低月球造成的遮擋和不穩定性。

為了把TESS送入這個特殊軌道，火箭和衛星也費了一番周折。

在火箭升空大約2分半的時間內，一級火箭和二級火箭分離，一級火箭被回收。二級火箭在分離之時點火，經歷滑行和再點火的階段，在發射約50分鐘後抵達超級同步轉移軌道（super synchronous transfer orbit，200 x 270，000公里），此時的高度大約為距離地面200公里。火箭和衛星自此告別，火箭進行第三次點火，進入逃離地球的軌道，成了一個遊盪在深空中的人造天體。而衛星本身也在此點火變軌，總共經過11次點火變軌和1次月球引力彈弓加速，歷經大約60天之後，最終抵達預定軌道。其實，在TESS衛星發射一周之後，科學設備在變軌過程中就將被啟動並開始測試，這樣一來，TESS一旦抵達軌道就可以開始科學觀測了。

• TESS將開啟行星研究新階段：彌補前任不足，數據完全開放

在開普勒衛星發射之前，從1995年到2009年，人類才剛剛開始發現系外行星，還在為了追尋更多的系外行星而努力。在2009-2018年間，開普勒衛星發現了數以千計的系外行星，讓我們意識到了系外行星非常普遍。眼下，TESS項目將開啟行星研究的第三個階段了。

不過，開普勒衛星所發現的行星都比較遠——我們所熟知的地球大表哥Kepler452B，距離地球1400光年；德克薩斯大學科學家發現的「第二個太陽系」，距離我們2200光年——我們很難對它們的性質做出具體的分析和詳盡的研究。TESS即將發現的行星因為距離地球更近，可以彌補開普勒衛星發現上的不足，從而為科學家進一步深入研究這些行星的大氣組成等提供眾多的便利條件，它發現的這些行星無疑也會成為2020年發射的詹姆斯韋伯望遠鏡（JWST）觀測對象的上佳候選體。

截至2018年4月16日，3758顆系外行星已經被確認。在這當中，我們只發現了數目極少的地球大小的行星。可以想見的是，如果TESS測試成功且工作正常，或許，我們很快將發現更多與地球大小相類似的行星，從而揭開生命尋找的新篇章。

最後，更加讓人興奮和期待的一點是，TESS衛星的數據沒有數據保護期！這也就意味著，一旦開始觀測，不僅僅是團隊成員，團隊之外的任何人都可以及時地看到衛星發回來的數據。按照TESS團隊的說法，這樣做的目的是為了鼓勵更多人參與到尋找系外行星的活動中來，「發揮眾人的才智，做出更好的科學」。

在開普勒望遠鏡工作的這些年中，因尋找系外行星收穫頗豐，它被人們冠以了「行星獵手」的美稱。不過，根據NASA科學家此前的最新估計，開普勒望遠鏡因燃料用盡將在幾個月後停止運行。如果一切順利的話，經歷11次自身加速變軌和1次月球的彈弓效應，TESS最終將在約60天後進入它獨一無二的複雜軌道內，接棒開普勒，繼續開展系外行星的觀測。新任「行星探測官」TESS作為巡天衛星，大大拓展了開普勒之前的視線所及之處，這不僅將為人類更細緻地研究系外行星創造條件，還將給2020年發射的韋伯太空望遠鏡備好一席豐盛的「大餐」。

TESS項目科學副主任、MIT教授Sara Seager是全球知名的行星研究科學家，她評價說：「TESS項目將把行星研究帶入到一個令人激動的新時代。」

據估計，TESS將發現大約70個地球大小的行星和500個左右的超級地球。到那時候，類似2015年NASA宣布發現Kepler452B時的激動場景或將不斷重現，這項任務——尋找地球在太陽系之外的、距離我們更近的地球表哥和地球表姐，以及可能存在的生命跡象——就交給TESS了！

再見，開普勒，你好，苔絲。

出品：科普中國

監製：中國科學院計算機網路信息中心

TESS有一個非常特殊的、承前啟後的作用，在地外行星的探索進程中很好地銜接了開普勒和韋伯的工作。

至於如何看待它搭乘獵鷹9號升空？跟韋伯一比，TESS算是很便宜的了，不像韋伯真心半點出不得錯。獵鷹9號有著便宜的報價和不至於不能看的成功率，這種小任務欽定給好基友Space X是再正常不過的選擇了嘛。

關於TESS的任務，下邊把我的文章搬運一下：承前啟後，TESS的任務與開普勒、韋伯有什麼區別和聯繫？

新一代「行星獵手」已上線！

我們早就對太陽系八大行星耳熟能詳，但在宇宙的燦爛星河中，太陽系也不過只是滄海一粟。當目光轉向太陽系之外的宇宙深處，那些耀眼的恆星附近，又有多少行星在繞轉？那些遙遠的行星上，有沒有可能也同樣孕育著文明？

目標鎖定系外行星，TESS——凌星系外行星巡天衛星的發射時間在推遲了2天後，於美東時間4月18日下午6:51（北京時間4月19日上午6:51）搭乘Space X公司的獵鷹9號火箭順利發射升空！TESS將執行第一個在全天巡查系外行星的任務，被視為NASA的新一代「行星獵手」。

其實TESS項目的構想從2006年就開始了，但直到2013年開普勒太空望遠鏡（KST）第二次出現故障後才得到NASA的支持。TESS這個時候的發射，頗有一種「承前啟後」的特殊意義：開普勒太空望遠鏡已經宣布回天無力命不久矣，而詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JMST）又一拖再拖暫時無法上線。在這種青黃不接的時候，TESS被委以重任，延續KST的系外行星搜尋任務，同時為JMST提前篩選出合適的目標，以便其能夠更高效地執行任務。

接棒開普勒太空望遠鏡

我們知道，開普勒太空望遠鏡升空後表現出色，它用「凌星法」對指定天區進行長期搜尋，根據恆星亮度的周期性減弱來判斷行星的存在。迄今為止，開普勒太空望遠鏡發現的地外行星中已有2000多顆被核實，這證明地外行星是普遍存在的。

而TESS作為接班人，也同樣將採用「凌星法」來搜尋系外行星，它將在2年任務期內搜尋20萬顆恆星，TESS任務團隊預期藉助TESS能發現至少50顆地球大小的類地岩態行星。

但它和「前輩」開普勒的任務側重點也是有區別的，開普勒專註於指向天鵝座的一個狹小的天區進行深度搜尋，可以觀測到該方向上非常遙遠和暗淡的恆星，與這些恆星的距離在1000-3000光年間。而TESS將用四台CCD相機對全天進行搜尋，它的觀測覆蓋面積佔到了全天的85%，要比開普勒大了400倍！它只需觀測那些更近和更亮的恆星。TESS將在距我們300光年內的恆星進行搜尋，並且它選擇的星體的亮度會比開普勒及K2後續任務的研究對象高上30到100倍。

引路詹姆斯韋伯太空望遠鏡

韋伯望遠鏡有著超高觀測精度的鏡子，它是什麼級別的神器，從它的經費就可以看出來：88億美元的天價，抵得上十五個KST，三十多個TESS！（再想想它運行在距地球150萬公里的日地引力L2點上，出了啥故障也跟開普勒一樣是修不得的，也是可以理解它為什麼一推再推了，實在是半點問題出不得啊！）韋伯的6.5米超大鏡面具有鷹眼紅外視野，將能讓我們能觀測到很多星體的大氣狀況，尋找生物宜居性的跡象。

然而超高的精度就意味著視角的犧牲，它一次能觀測的星體十分有限。為了充分利用韋伯役期內的寶貴觀測資源，它的先遣兵TESS的作用就體現出來了：TESS在全天區域內提前篩選了值得韋伯去進一步觀測細節的星體，就能避免韋伯做很多的無用功。

探測系外行星的漫漫長路，現在已走到了TESS這一步，希望人類能在茫茫太空中發現新的驚喜！