TESS:寻觅万千行星

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对于系外行星的搜索来说,NASA在2009年发射的开普勒空间望远镜可谓居功甚伟。9年来,它以上千颗被确认的系外行星外加更多的候选体,彻底革新了我们对异星世界的认识;更不要提的是它还发现了第一颗地球级行星、第一批位于宜居带内的超级地球,估算出了拥有宜居带类地行星的类太阳恒星比例,甚至记下了超新星的极早期光学激波突破以及爆发期间的完整光变行为。但是虽然开普勒已经取得了累累硕果,在2013年之后更是巧妙地利用太阳光压来对抗反作用轮失灵的困境至今,到了今年晚些时候,这颗卫星也终将面临燃料耗尽的现实。好在开普勒的继任者——凌星系外行星巡天望远镜(TESS)已经在4月18日升空,它将接过开普勒的大旗,在求索系外行星的道路上继续前行。TESS:寻觅万千行星2018年4月18日从卡纳维拉尔角搭乘猎鹰9号火箭升空的TESS卫星。(图片提供:SpaceX)从任务目标来看,TESS是开普勒望远镜实打实的加强版——同样使用凌星法(也就是探测行星从恒星前方通过时恒星光度的变化)来搜寻系外行星,但与开普勒有限的天区覆盖相比,TESS的任务却是要囊括全天(相当于开普勒总天区的400倍左右)TESS最终的预期产出是超过20000颗行星,包括500-1000颗地球级或超级地球,其中又有20颗身居主星的宜居带内——这些数据都比开普勒的成果扩大了一个数量级。不过从细节来看,TESS与前任又有很大的区别。为了实现全天观测的目标,与单独配备一台施密特望远镜的开普勒卫星不同,TESS选择了4台超大视场105毫米口径、1.4焦比的镜头作为观测仪器。每台镜头由7枚透镜组成,每台的视场宽度可达24度。镜头后方各设边长2048像素的感光CCD元件,对波长600到1000纳米的红光以及红外线尤为敏感。TESS:寻觅万千行星TESS:寻觅万千行星TESS的镜头光路设计图(上)与组装图(下)。(图片提供:MIT)只是这些小型镜头的集光能力比不上正经的望远镜,所以TESS的关注对象主要是亮星(比开普勒观测过的恒星的典型亮度高数十倍),其中又以距离数十到数百光年的近域宇宙中类似于太阳或者更小G、K、M型星为主——这既是出于小型恒星本身光度低,进而凌星行星导致的光变更为剧烈的考虑,TESS相机的带通也是据此确定。如果说开普勒第一次实现了对系外行星分布的系统性抽样调查,那么TESS就是要详尽地检视邻近的小质量恒星。有限的曝光深度也是TESS的巡天范围虽大,但预期产出只有开普勒10倍量级的原因所在。当然,就像开普勒无心插柳却作出了超新星相关的重要发现一样,TESS也有望突破众人的预期,为天文学家带来意外之喜。在2年的设计任务期内,TESS将关注南北天各一年。由于星载大视场CCD的26次观测即可实现全天覆盖,现在规划的观测模式是每隔27.4天改变TESS的指向一次,在每个略长于一个恒星月的观测周期中,每2分钟对预选的重点关注对象(共约20万颗)采集一次测光数据(其实是先拍摄全视场影像,但为了减轻存储和通信负担,只截取重点恒星周边部分的数据保存)。同时,TESS的CCD还将每30分钟记录一次全视场影像,以供星震学等其他方面之用。TESS:寻觅万千行星TESS卫星的预期巡天规划方案示意,左为TESS照相机的视场;中为相机视场在天球上的覆盖,可见26轮曝光即可涵盖全天;右为2年设计任务期内不同天区的总曝光时间。(图片提供:NASA)同时,TESS最终的工作轨道也具有极高的偏心率(超过0.5),这样可以尽量减少地球的遮挡。其轨道设计又在航天史上第一次利用了月球的2:1共振,确保卫星同月球间距90度左右,尽可能削弱月球引力的扰动,长期保持稳定,从而减少航天器燃料消耗。而且TESS的轨道完全位于范埃伦辐射带之外,更可有效避免带电粒子的干扰。不过为了抵达这条远地点距离几乎与地月间距相当的轨道,TESS在发射后需要数次变轨机动,还要借用月球的引力改变飞行路径,整个过程将持续2个月左右,所以TESS开始科学观测也是今年夏天之后的事情了。TESS:寻觅万千行星组装完毕的TESS卫星,上方的4个方形构造就是4台宽视场镜头的遮光板。(图片提供:NASA’s Goddard Space Flight Center)值得注意的是,在TESS的整个开发过程中,私营公司的力量显得尤其突出。卫星的设计系脱胎于2006年前后Google以及科维里基金会的方案;而它的发射又采用了SpaceX公司一级箭体可重复使用的商用运载火箭空间,这在一定程度上反映了空间天文学(至少是美国的空间天文学)在未来可能的生态。倘或有朝一日某家私人机构自筹资金、自备人员,解决天文卫星的设计、建造和发射,也不是不可能的事情。此外,欧洲空间局将在明年发射测光卫星CHEOPS,同样关注凌星行星,不过它的重点是详细考察已知行星系,并精确测量业已通过地面光谱巡天测定质量的系外行星,进而帮助人们了解这些行星的可能组分。更远期的还有同样由欧空局设计的柏拉图卫星,它将把搜索目标扩展到百万颗恒星。所以在系外行星观测这一热火朝天的领域,开普勒望远镜的即将退役只不过是更多好戏的开始而已。内容来自 Bo Zhang's Homepage

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