太空梦想TESS：这次由我来寻找下一个“地球”

_本文原题：TESS：这次由我来寻找下一个“地球”
数千年来，人们一直想求得一个问题的答案：在茫茫宇宙中，我们是否是孤独的？是否只有地球上有文明社会的存在? 随着以开普勒天文望远镜（开普勒卫星）为代表的系外行星搜寻计划的开展，系外行星的发现数量出现了井喷式的增长。目前已经确定的是：除了太阳系内的八大行星，在太阳系之外，围绕其他恒星同样存在大量的行星，在这些行星中十分有可能存在另一个“地球” 。
2018年4月19日，一颗凌日系外行星勘测卫星（TESS）搭乘美国SpaceX公司的猎鹰9号火箭成功发射升空。它不仅是开普勒太空望远镜的接班人，也是在将来升空的詹姆斯·韦伯望远镜的得力助手。
1.
开普勒为TESS提供契机
TESS能够上天，还要感谢开普勒卫星为它提供的契机。 TESS项目的想法开始于2006年，当时得到了谷歌种子基金、Kavli基金会和MIT的私人资助。最初本想以私人基金发射此卫星，不过因耗资巨大， MIT建议到NASA申请支持，并在2008年提交了申请。当时因开普勒卫星即将发射， TESS在首轮竞争中败下阵来。

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开普勒
在开普勒卫星发射后的首个计划运行时间内，一直运行正常，并且表现十分出色，所以在2012年初，此项目被延期资助到了2016年。然而，延期后不久，当年7月14日，开普勒卫星上四个反作用轮之一出现了问题（反作用轮可以通过施加一定力矩从而改变望远镜的指向，对空间望远镜来说非常重要）。通常来说，三个正常工作的反作用轮就可以将望远镜指向任何一个方向，所以开普勒的指向控制并没有受到影响。但是，其他反作用轮坏掉的可能性大大增加了，这为开普勒卫星的未来蒙上了一丝阴影。
不幸的是，人们对于“老将”开普勒的担心，很快发生了。第一个反作用轮出故障不满一年， 2013年5月11日，第二个反作用轮也坏掉了，此时开普勒卫星已很难再精确保持固有的指向。要想保持指向，就要对反作用轮进行维修。
参考哈勃望远镜的先例，要对类似设备的故障进行维修，花费实在不菲。哈勃五次维修总共花费了55亿美元，平均每次11亿美元，而开普勒卫星的总费用只有5.5亿美元， TESS卫星的花费更少，约为3.4亿美元。经历了一番权衡，考虑到新的系外行星探测卫星已在研制中， NASA最终于2013年8月对外宣布：不再对开普勒卫星进行维修。 2018年7月，由于燃料即将耗尽，开普勒已开启休眠模式。 2018年10月30日，开普勒卫星正式“寿终正寝” 。

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TESS搭乘美国SpaceX公司的猎鹰9号火箭成功发射升空
与此同时， NASA在2011年征集了新的可能的小型空间卫星项目，从提交的42个申请中筛选了11个作为培育项目，其中就包括TESS项目。最终，在2013年的第二轮角逐中， TESS被NASA选中，成为政府支持项目。在某种程度上，这一轮里TESS的部分好运气来自开普勒的坏运气。
2.
类似的使命
开普勒和TESS卫星都是系外行星探测卫星，主要任务都是在恒星周围寻找尚未被发现的行星，评估它们孕育生命的能力，希望搜寻到能够支持生命体存在的类地行星。
【太空梦想TESS：这次由我来寻找下一个“地球”】此外，开普勒和TESS都是使用“凌星法”来寻找行星。 “凌星法”的工作原理并不难理解：行星围绕中心恒星转动，当行星绕转到恒星前侧的时候，因行星本身不发光，而又有大小，会遮挡住来自于恒星的一部分光线，从而使我们观察到的恒星亮度有一个微小的变暗，然后再恢复正常。每一个行星都在恒星亮度演化图上留下了一个因遮挡导致的小坑，所以只要能够推断出坑的个数，科学家就能够得知恒星周围行星的数目了。如果恒星变暗的周期很短，那么就意味着地外行星距离母恒星很近，大多数被人类探测到的地外行星属于此类。因为凌星周期越短，越容易被探测到。进一步，如果母恒星的温度较低，那么这颗行星就可能运行在母恒星的宜居带内。接下来，科学家就可以启动地面望远镜，对该行星的大气成分进行分析，以确定该行星是否适合生命存在。分页标题
如果这种星光变暗现象周期性出现，至少观察到4次之后，就可以确定那里存在一颗我们看不到的行星。因此只要重复观察行星运行时产生的的凌日现象，便能由亮度减少的程度推测行星的身世，并可由两次凌日时间间隔，测出行星轨道的大小。再由质量与行走周期推论是否有类地行星能成为“下一个地球”或“超级地球”的可能。
科学家们还有着诸如视向速度法、直接观测法和微引力透镜法等其它一些探测方式，但都相对比较复杂、难以实现和观测。所以，凌星法也是目前使用最为广泛的一种探测方式。
3.
与开普勒不同之处
开普勒确认的系外行星大多数围绕1000光年到3000光年外的暗淡恒星旋转， TESS勘测的是距离地球30光年到300光年的恒星。
远比开普勒任务的目标恒星近，因此其亮度要比开普勒任务目标恒星高30倍到100倍。这样的亮度将允许研究人员运用光谱学来确定行星的质量、密度和大气成分，其大气中的水和其他关键分子可以给我们一些关于行星孕育生命能力的提示，从而揭示该行星是否宜居。 TESS的主要使命是在今后两年内“扫描”超过20万颗太阳系外离地球“最近、最亮”的恒星，确认是否有行星围绕它们公转。 NASA预计，它会发现2万颗系外行星，其中50颗以上“与地球一般大小” ，至多可以发现500颗体积“低于地球二分之一大小” 。这些行星将成为未来20年天文学家的全新研究目标。
TESS与开普勒在寻找系外行星工作模式上有差别

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TESS卫星拍摄的LHS 3844b行星
TESS将天空分成26个不同的区域，对几乎整个天空进行搜寻。 TESS 首先对南半球的13个区域开始观测之旅，每个区域观测 27 天，然后转向下一个区域。 TESS 将在 1 年内完成对几乎全部南部天空的观测，然后在第 2 年移到北部的天空，继续对另外 13 个天域进行观测。
当TESS 指向某个区域时，相机会持续拍摄照片。研究团队列出了 20 万颗值得特别观测的高亮度恒星清单， TESS 将以 2 分钟为间隔进行小场景模式拍摄。此外，在某些特定天区， TESS 还将以全景模式以30分钟为间隔进行拍摄。 2 分钟为间隔的拍摄模式，可形成同一恒星的电影式照片序列，可以很容易地从中发现凌星信号。而 30 分钟为间隔的拍摄模式，可以用来观测超新星、小行星以及引发引力波的天文事件。
TESS的外形与内部构造与开普勒迥异

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TESS卫星
TESS被誉为“行星猎人” ，体积小巧，但功能强大。它高1.5米，太阳翼（即太阳能帆板）收起时直径大约1.3米，重363千克，它的尺寸介于一台冰箱与一台“洗衣烘干一体机”之间，比大多数太空探测卫星小巧。 TESS由四个完全一样的望远镜构成，相当于四个望远镜同时扫描，可以缩短全天扫描时间，这对于想要用两年时间观测完整个天空的TESS来说非常必要。广角镜头的视场大小为 24 度×24 度，足以完全覆盖猎户座，所观测太空区域比开普勒大350倍，所观测恒星的亮度平均比开普勒高30至100倍。同时，因为TESS只对地球附近的、或很亮的恒星进行观测，所以不需要很大的口径，它的每一个望远镜口径只有10厘米，和大多数业余望远镜的口径差不多。而开普勒卫星重1039公斤，仅由一个口径95厘米的望远镜构成。主镜直径1.4米，是地球之外最大镜片。光度计有一个柔软的焦点提供良好的光度测量，而不是清晰的图像。
TESS卫星的轨道和开普勒完全不同
对于开普勒卫星而言，因为它指向天空的某个特定方向，所以采用了尾随地球、绕太阳转动的方式，周期达372.57天。这个轨道不会被地球遮蔽而能持续的观测，光度计也不会受到来自地球漫射光线的影响。这样的轨道避免了重力摄动和在地球的轨道上固有扭矩，可以有一个更加稳定的观测平台。 TESS是对整个天空进行观测，所以最终它是绕地球旋转的，绕转周期为13.7天；它首先将用一年时间扫描南天球，接下来的一年将对北天球进行扫描。分页标题

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开普勒卫星
为了让TESS卫星在保持轨道稳定的同时尽可能远离地球，从而保证卫星在没有遮挡的情况下，有足够多的时间对每个设定的天区进行观测，科学家们为TESS卫星设计了一个独一无二的轨道——一个近地点为17个地球半径、远地点为59个地球半径的高度椭圆轨道。
这个轨道的特殊之处在于，它能够在月球和地球的引力之下保持相对稳定，并且和月球轨道形成一个1：2的共振关系（简称为P/2）。这便意味着TESS卫星的轨道周期只有月球周期的一半（即13.7天）。在这一轨道上，每当卫星处于远地点时，月球就会处于卫星之前或之后90度的地方，从而最大程度地降低月球造成的遮挡和不稳定性。
为了把TESS送入这个特殊轨道，火箭和卫星也费了一番周折。在火箭升空大约2分半的时间内，一级火箭和二级火箭分离，一级火箭被回收。二级火箭在分离之时点火，经历滑行和再点火的阶段，在发射约50分钟后抵达超级同步转移轨道，此时的高度大约为距离地面200公里。火箭和卫星自此告别，火箭进行第三次点火，进入逃离地球的轨道，成了一个游荡在深空中的人造天体。而卫星本身也在此点火变轨，总共经过11次点火变轨和1次月球引力弹弓加速，历经大约60天之后，最终抵达预定轨道。其实，在TESS卫星发射一周之后，科学设备在变轨过程中就将被启动并开始测试，这样一来， TESS一旦抵达轨道就可以开始科学观测了。

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TESS勘测一颗围绕着恒星运转的行星（想象图）
这条被称为P／2的月球共振轨道使得TESS完全处于范艾伦辐射带之外，而TESS在远地点（距地球最远点）时，会与月球形成90度位置关系，由此可以将月球对TESS的影响最小化。同时在这条可维持几十年的稳定轨道上，有着对卫星观测运营而言，始终良好的温度值。此外，该轨道可为TESS提供南北两半天球的无障碍观测。在轨的几乎所有时间里， TESS都处于数据收集模式，只有在近地点时才将所储存的数据进行传输。
令人兴奋和期待的一点是， TESS卫星的数据没有数据保护期！这也就意味着，一旦开始观测，不仅仅是团队成员，团队之外的任何人都可以及时地看到卫星发回来的数据。按照TESS团队的说法，这样做的目的是为了鼓励更多人参与到寻找系外行星的活动中来， “发挥众人的才智，做出更好的科学” 。
在两年的主任务完成后， TESS可能会继续工作，因为它很有可能在轨运营更久，进行任务扩展以获得额外观测成果。
文/沈羡云
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