TESS升空，搜寻最近的太阳系外岩石行星

静待发射的猎鹰9号火箭，顶部整流罩内装的是TESS，NASA专门用于搜寻太阳系外行星的下一代空间天文台。图片来源：SpaceX

　　（艾麦乐 编译）经过了一次推迟之后，北京时间4月19日早晨6:51，一枚猎鹰9号火箭将从美国佛罗里达的卡纳维拉尔角发射升空。火箭顶部的整流罩内装的是TESS，NASA专门用于搜寻太阳系外行星的下一代空间天文台。
　　TESS的全称是凌星系外行星巡天望远镜，设计目标是用它来扫描天空，搜寻邻近恒星周围与地球相似的行星。
　　那么，到底TESS是什么，又将如何完成它的目标呢？
搜寻离太阳系最近的岩石行星
　　第一颗绕着其他恒星旋转的行星，是在1992年被确认发现的。它所环绕的恒星，是一颗脉冲星，是恒星的残骸，不能算是一颗普通的恒星。又过了3年，第一颗绕着普通恒星旋转的行星被天文学家发现，更多的系外行星才陆续浮出水面。没过多久，天文学家就发现，一些系外行星的轨道平面恰好侧对着地球，让它们能够从各自恒星的正前方经过。发生这种情况时，系外行星便会遮挡一点点星光，而在我们的眼中，这颗恒星就会稍稍变暗一些。这种变暗的幅度通常很小，但如果遇到到大个子行星和小个子恒星，这种所谓的凌星现象就能产生超过1%的亮度下降，用现代观测设备很容易检测出来。
　　2009年，NASA发射了开普勒望远镜，来寻找更多的凌星系外行星。开普勒望远镜只指向一小块天空（位于天鹅座中），盯着大约15万颗恒星，监测它们的亮度。它已经发现了超过2300颗得到确认的行星，还有差不多同样数量的备选行星（即疑似是行星，仍需后续观测来证实它们确实存在）。尽管后来，开普勒望远镜遇到了一些机械故障，无法保持原来的指向，但工程师设法挽救了这项任务。如今，它仍在坚持工作，只是功能上受到限制，必须定期改变指向。称为K2的这项拓展任务，也已经发现了超过300颗系外行星。
　　开普勒望远镜的设计目的，就是要深入到银河系深处，它对暗弱恒星更加灵敏，这是为了尽可能多地发现系外行星。开普勒任务是为了回答这样一个问题：“宇宙中有多少系外行星，又可以分成哪几种类别？”
　　而TESS将要回答的，是另一个同等重要的问题：“离我们最近的岩石行星在哪里？”

 TESS望远镜在轨运行的艺术画。图片来源：NASA's Goddard Space Flight Center/CI Lab

　　为了做到这一点，它将巡视整个天空的85%（比开普勒望远镜的视场大将近400倍），观察大约20万颗最明亮的恒星，监测它们的亮度，搜寻凌星的迹象。这些恒星大都离地球不远（都在大约300光年以内），所以TESS将找到银河系中离我们最近的一些系外行星。在总数上，TESS将发现大量的行星，而据估计，其中直径小于4倍地球的行星，它应该能够找到大约50颗。
　　这样的行星称为超级地球，在这样的大小范围内，行星仍有可能主要由岩石构成，并且拥有一个大气层。比这更大的行星，在形成过程中往往会迅速增长，成为所谓的“迷你海王星”——它们比海王星小一些，却很可能拥有较为浓厚的大气层。所以，想要找到跟我们类似的行星，4倍地球直径以下才是最佳的搜寻范围。

地球和另外几颗人类已知超级地球的“合影”。除地球以外，其他行星的表面颜色及特征，都只是艺术家的想象，我们对那些行星的细节几乎一无所知。图片来源： NASA/Ames/JPL-Caltech

方便后续观测确定行星细节
　　TESS的美妙之处在于，因为它观测的都是比较明亮的恒星，所以它发现的任何行星，利用地面设备都很容易进行后续观测。这一点很关键，意味着我们可以用光谱仪对准它们，将星光拆分成不同的颜色。如果测量得足够精细，我们就能得到有关这些行星的大量信息。最重要的一点是，我们能称量出这些行星的质量。
　　行星绕着恒星运转时，它的引力也会拖拽恒星。行星会沿着一个大圆（或者椭圆）绕恒星旋转，作为回应，恒星也会小幅度摆动。我们无法直接看到这样的摆动，但随着恒星的摆动，有时候它会靠近我们，有时候又会远离我们，这意味着我们可以从它的光谱中寻找多普勒频移。行星质量越大，它对恒星的拖拽就越强，恒星便会摆动得越快。所以，通过观测恒星的光谱，我们能够称量行星的质量。
　　而凌星能够告诉我们行星有多大，因为星光被遮挡掉多少完全取决于行星的个头。知道了质量和大小，我们就能得到行星的密度。而这，正是我们的目的所在。
　　与地球这样只有稀薄大气层的岩石行星相比，有着浓厚大气层的行星密度会稍低一些。如果能够测定密度，我们就可以着手来了解这颗行星了。
　　此外，在某些情况下，行星的大气层也是可以被测定的。光谱分析将揭示大气层的化学构成。所以，找到邻近的太阳系外行星，确实非常非常重要。
　　这正是TESS要做的事情。

相比于这项宏大的任务，TESS本身实际上小得惊人，大概只有一台大型冰箱那么大，总重量不到400千克。图片来源：NASA

前所未有的古怪轨道
　　TESS的轨道不得不提，因为它实在太过古怪。
　　它既不像大多数人造卫星那样在低地球轨道运行，也不像开普勒望远镜那样环绕太阳运行，而是沿着一条长椭圆轨道绕地球运转，到地球的距离介于11万千米到37.5万千米之间。这条轨道还会翘起一个37°的倾角。为什么要给它安排这么一条古怪的轨道呢？
　　因为这是一条特殊的轨道。它跟月亮有着某种恰到好处的同步，每当TESS抵达远地点，也就是运行到离地球最远的那一点时，月球总是会出现在跟TESS呈90°直角的位置上。不仅如此，TESS绕地球运转一整圈所用的时间刚好是月球的一半，如此一来，当TESS抵达远地点时，月亮会出现在它的一侧，而再过大约13.6天，TESS再次抵达远地点时，月亮会出现在它的另外一侧。通过这种方式，月球引力的影响就会在一个月内相互抵消，使得TESS的轨道能够保持稳定。
　　长椭圆轨道还有其他好处。它让TESS远离地球的磁场，而磁场会影响航天器的运行。它还让TESS永远处在阳光照耀之中，以免受到热胀冷缩的影响。在低地球轨道上，人造卫星每天都会经历好几次日出和日落，巨大的温差会缩短人造卫星的使用年限。
　　为了抵达这样一条奇怪的轨道，TESS将由猎鹰9号火箭发射升空，先抵达一条低地地球轨道，再通过二级火箭的再次点火，将轨道的远地点推高到27万千米左右。接下来，TESS将与火箭分离，用自身携带的推进器完成多次轨道抬升，直到它有机会从足够近的地方飞掠月球。月球的引力将改变轨道的形状和倾角，把TESS甩到最终的任务轨道上去。在那之后，TESS还要再经过2个月的试运行，以确保所有设备都运转正常。

TESS将在一条特殊轨道上执行观测任务。为了进入这条轨道，它还必须借助月球引力的帮助。

　　接下来，行星搜寻将正式开始。
　　我发现，还从来没有哪个航天器被发射到这样一条轨道上。事实上，就连这条轨道的概念，也是2013年才首次有人提出。数学计算证明这是可行的，如果这次任务成功演示了一点，估计未来会有更多的航天器使用这条轨道。
　　由于必须借助月球的引力，TESS的发射窗口非常狭窄，每次只有30秒时间。地球的自转加上月球的位置都必须恰到好处才行。
　　所以，如果可以的话，一定记得收看发射直播。毕竟，能够把地球、月亮、成千上万颗邻近恒星，以及可能存在的一大批类地行星全都牵扯在内的探测任务，可没有那么常见！
编译来源
Bad Astronomy, EVERYTHING YOU NEED TO KNOW ABOUT TESS, NASA'S NEW PLANET-FINDING SPACE OBSERVATORY