接棒“开普勒”，新一代行星猎手“苔丝”启程巡天或将揭开太阳系外行星研究新篇章

人类对太阳系外行星的搜寻，经历了从基于地面的望远镜到太空望远镜的发展历程。如左图所示，最右是目前世界上口径最大的地基望远镜之一、建在夏威夷莫纳克亚山顶的凯克望远镜，往右依次是已经发射升空的“四大金刚”——哈勃、斯皮策、开普勒、苔丝太空望远镜，以及拟在2020年之后发射的韦伯太空望远镜和已公布的WFIRST未来探测项目。

美国航空航天局（NASA）多次延迟发射的系外行星探测卫星苔丝（TESS），上月18日终于在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空，它将经历长达60天漫长而复杂的入轨进程，去接替已经在太空工作了九年、有“行星猎手”之称的开普勒望远镜。从构造到工作模式，苔丝都要比它的前任具备更大的优势。在为期两年的探测任务中，苔丝的观测区域将覆盖80%的宇宙空间，超过20万颗太阳系外离地球“最近、最亮”的恒星将被其逐一扫描，以确认是否有行星围绕它们公转。

据NASA估计，苔丝有可能发现数千个“超级地球”，它将开启太阳系外行星研究令人激动的新时代。

美国航天航空局（NASA）新一轮太阳系外行星搜寻计划正式开启：当地时间2018年4月18日18时51分，多次延迟发射的太空望远镜苔丝（TESS）终于从佛罗里达州卡纳维拉尔角，这个世界上最知名的发射基地升空。

在苔丝卫星之前，另外一颗系外行星探测卫星——以16世纪德国天文学家开普勒命名的太空望远镜，已在天上工作了九年。

开普勒运行的这些年中，寻找系外行星收获颇丰，被冠以“行星猎手”的美称。不过，根据NASA科学家此前的最新估计，“开普勒”因燃料用尽，将在几个月后停止运行。

这一次，苔丝要去接班了。

▲准备发射的苔丝卫星

凌星找星从阴影中发现光明

苔丝由美国麻省理工学院教授乔治·雷克领头研发，其英文全称为Transiting Exoplanet Survey Satellite（TESS），中文意为“凌星系外行星巡天卫星”。此处有两个词值得我们注意，它们是苔丝的两个重要特征：一是“凌星”，二是“巡天”。

“凌星”指的是苔丝卫星将使用凌星法来发现新的系外行星。其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方的时候，由于行星本身不发光，因此会遮挡住来自于恒星的一部分光线，从而使得我们观察到的恒星亮度有一个微小的变暗。所谓“凌星法”，指的就是这种通过恒星亮度变暗来推测行星存在的方法。

这种“从阴影中发现光明”的探测方法，不仅易于判断行星的存在，而且便于科学家们推断行星存在的个数。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。

因为和恒星本身相比，行星通常要小得多，而且远在数光年之外，我们能观察到的因行星遮挡产生的亮度变化应该很小。即便是按照目前对巨行星的估计来看，其遮挡也只会导致中心恒星亮度百分之一的降低。但是，开普勒和苔丝都使用了凌星法来探测系外行星，原因在于太空中望远镜性能通常非常稳定，没有大气干扰，它们能够很容易测量到非常微小的变化。

科学家们还有诸如视向速度法、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。

巡视全天四只小眼睛扫描大世界

除此之外，“巡天”也标志着新卫星苔丝和其之前的项目在寻找系外行星工作模式上的差别，这一点也是它与前任开普勒之间最显著的不同。

自2009年3月发射，直至2013年5月，开普勒一直指向天琴座和天鹅座的一块狭小区域，从不指向其它方向。而且自2013年5月之后，因为反作用轮发生故障，开普勒连精确地指向一个方向也已无法做到。

志在“巡天”的苔丝则完全不同，它并不指向一个特定区域，而是对整个天空进行巡视，希望找到那些距离我们地球很近且很亮的恒星周围的行星。

我们知道，南北半球加起来，我们的肉眼只能看到大约8000颗恒星，然而苔丝的“机器眼”可以探测到至少20万颗恒星，是人类肉眼可见的25倍之多！

苔丝的构造也和开普勒迥异。苔丝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苔丝来说非常必要。

同时，因为苔丝只对地球附近的、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，而开普勒仅由一个口径95厘米的望远镜构成。

为了实现各自的观测目的，苔丝的轨道和开普勒也完全不同。

对开普勒而言，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。苔丝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。

为了让苔丝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，科学家们为苔丝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个地球半径高度的椭圆轨道。

在这个轨道上，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，从而最大程度降低月球造成的遮挡和不稳定性。

苔丝接棒开启行星研究第三阶段

开普勒发射后的第一阶段运行期内，一直运行正常且表现出色，发现了众多系外行星。所以在2012年初，项目被延期资助到了2016年。然而，延期后不久，2012年7月14日，它的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。但不幸的是，2013年5月11日，它的第二个反作用轮也坏了，要想保持指向精确，就必须对反作用轮进行维修。

参考哈勃望远镜的先例，对类似的指向设备故障进行维修，花费实在不菲。

哈勃的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，苔丝卫星的花费约为3.4亿美元。

▲哈勃望远镜

一番权衡之后，考虑到新的系外行星探测卫星已在研制当中，NASA最终于2013年8月对外宣布：不再对开普勒卫星进行维修。

开普勒卫星团队也相应地提出了利用现有设备条件进行扫描观测的方式，虽不及之前那么高效，但依旧可以发现扫描路径上的一些系外行星，这便是目前被称为“K2计划”的开普勒生命的第二个阶段。

而眼下，苔丝将开启系外行星研究的第三个阶段。

弥补前任不足数据完全开放

在开普勒卫星发射之前，从1995年到2009年，人类刚刚开始发现系外行星，还在为了追寻更多的系外行星而努力。2009年至2018年，开普勒卫星发现了数以千计的系外行星，让我们意识到系外行星是非常普遍的。

不过，开普勒卫星所发现的行星都比较远———我们所熟知的地球“大表哥”Kepler452B，距离地球1400光年；德克萨斯大学科学家发现的“第二个太阳系”，距离我们2200光年———我们很难对它们的性质做出具体的分析和详尽的研究。

苔丝即将发现的行星因为距离地球更近，可以弥补开普勒卫星发现上的不足，从而为科学家进一步深入研究这些行星的大气组成等提供众多的便利条件，它发现的这些行星无疑也会成为2020年发射的韦伯望远镜上佳的观测对象。

截至2018年4月16日，3758颗系外行星已经被确认。在这当中，我们只发现了　数目极少的地球大小的行星。可以想见的是，如果苔丝测试成功且工作正常，或许我们将很快发现更多与地球大小相类似的行星，从而揭开寻找地外生命的新篇章。

最后，更加让人兴奋和期待的一点是，苔丝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。按照苔丝团队的说法，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，做更好的科学研究”。

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▲苔丝卫星位于一颗熔岩星球前方的创意图

新任“行星猎手”——太阳系外行星探测卫星苔丝，从发射到进入特殊轨道，将颇费一番周折——

▲苔丝由“猎鹰9号”火箭发射升空，大约2分半钟后，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。而苔丝本身也在此点火变轨。

▲如果一切顺利的话，苔丝将历时两个月，在经历11次自身加速变轨和1次月球的弹弓效应之后，最终进入其预定轨道，完美接棒开普勒，继续开展对系外行星的观测。左图为准备发射的苔丝卫星。

苔丝作为巡天卫星，将大大拓展它的前任——开普勒太空望远镜的视线，这不仅将为人类更细致地研究系外行星创造条件，还将给2020年发射的韦伯太空望远镜备好一席丰盛的行星“大餐”。苔丝在开普勒之后，开启了行星研究的第三个阶段。据估计，苔丝将发现大约70个地球大小的行星和500个左右的超级地球。寻找地球在太阳系之外、距离我们更近的地球“表哥”“表姐”，以及可能存在的生命迹象——就交给它了。

作者：苟利军 黄月

编辑：李晨琰

责任编辑：唐闻佳

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