王帥(北京空間科技信息研究所)
北京時(shí)間2018年4月19日06∶51,美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的新一代系外行星探測(cè)任務(wù)“凌日系外行星觀測(cè)衛(wèi)星”(TESS)在卡納維拉爾角空軍基地搭載美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)獵鷹-9(Falcon-9)運(yùn)載火箭發(fā)射升空,將飛向地月共振軌道開展系外行星觀測(cè)任務(wù)。TESS是繼“開普勒”(Kepler)之后,NASA第二個(gè)系外行星探測(cè)空間望遠(yuǎn)鏡,主要目的是進(jìn)行巡天觀測(cè),在2年的計(jì)劃工作時(shí)間內(nèi),利用凌日法探測(cè)太陽系附近20萬顆最明亮恒星附近的行星,即通過尋找行星經(jīng)過恒星前方時(shí)恒星亮度的變化尋找可能存在的行星,將為2020年發(fā)射的“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”(JWST)以及其他大型地面望遠(yuǎn)鏡提供進(jìn)一步詳盡探測(cè)的系外行星目標(biāo)。不同于“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡,TESS將專注于發(fā)現(xiàn)臨近太陽的恒星附近的行星,這類行星距離太陽系更近,更適于進(jìn)一步觀測(cè)以及未來的抵近探測(cè)。
TESS是NASA“探索者計(jì)劃”(Explorers Program)中的一個(gè)空間望遠(yuǎn)鏡,設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)間為2年,任務(wù)目標(biāo)為利用凌日法搜尋系外行星。TESS任務(wù)的主要目標(biāo)是探測(cè)太陽系附近明亮的恒星附近的行星,將利用一組廣角相機(jī)進(jìn)行巡天觀測(cè),探測(cè)行星的質(zhì)量、體積、密度和軌道等詳細(xì)參數(shù)及其行星大氣,其中包括一部分處于恒星宜居帶的巖質(zhì)行星。TESS將為JMST、其他大型地面望遠(yuǎn)鏡以及未來天基望遠(yuǎn)鏡提供目標(biāo),以進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)觀測(cè)。TESS調(diào)查的恒星將比“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡調(diào)查的恒星明亮30~100倍。因此,TESS搜尋到的行星更加易于后續(xù)觀測(cè)得到其特性。TESS將得到擁有凌日系外行星的最近和最亮恒星的目錄,這中間包括未來數(shù)十年最適合進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的系外行星。TESS計(jì)劃巡視20萬顆太陽附近最明亮的恒星,預(yù)計(jì)編目2000個(gè)候選行星目標(biāo),其中包括約300顆地球大小或“超級(jí)地球”大小的系外行星(不超過地球2倍大?。?。TESS的發(fā)現(xiàn)將為后續(xù)更為綜合的研究提供觀測(cè)目標(biāo)。
任務(wù)背景
2013年,TESS作為一個(gè)天體物理學(xué)任務(wù)入選NASA的“探索者計(jì)劃”。TESS具有很長(zhǎng)的歷史,起源于2006年的一個(gè)小型私人資助任務(wù)。在開始時(shí),該計(jì)劃的資金支持者為一些私營(yíng)企業(yè),包括谷歌公司(Google)、美國(guó)卡維里基金會(huì)(Kavli)、麻省理工學(xué)院(MIT)的一些捐助者。這樣的情況一直持續(xù)到2008年,此時(shí)麻省理工學(xué)院提議將TESS作為NASA官方的天體物理任務(wù),并將其重組為一個(gè)“小型探索者”(SMEX)級(jí)別任務(wù)。在這次競(jìng)爭(zhēng)過程中,TESS任務(wù)并沒有被選中。2010年,TESS再次被提議作為NASA的“探索者”(EX)級(jí)別任務(wù)。TESS是該新型“探索者”任務(wù)分類中的第一個(gè)任務(wù)。2013年,TESS在投標(biāo)流程中取得成功,NASA開始進(jìn)行該項(xiàng)目的研發(fā)工作。麻省理工學(xué)院卡維里天體物理與空間研究所(MKI)在當(dāng)前的TESS任務(wù)中始終保持著創(chuàng)始合伙人的角色,和NASA一起進(jìn)行“新世界”的下一次搜索。
TESS的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)為麻省理工學(xué)院,項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為麻省理工學(xué)院George Ricker博士。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)研制相機(jī),包括鏡頭組件、探測(cè)器組件、鏡頭遮光罩和相機(jī)支架。NASA的戈達(dá)德航天飛行中心(GSFC)負(fù)責(zé)項(xiàng)目管理、系統(tǒng)工程、安全和任務(wù)保障。軌道-ATK公司負(fù)責(zé)裝配和運(yùn)行航天器。NASA的“發(fā)射服務(wù)計(jì)劃”(Launch Services Program)負(fù)責(zé)發(fā)射管理。
TESS科學(xué)中心由麻省理工學(xué)院物理系、卡維里天體物理與空間研究所、史密森天體物理天文臺(tái)和NASA埃姆斯研究中心(AMES)共同合作組成,負(fù)責(zé)分析科學(xué)數(shù)據(jù),組織共同研究者、合作者和工作組(來自很多機(jī)構(gòu)的成員)。原始和被處理的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在空間望遠(yuǎn)鏡研究所的空間望遠(yuǎn)鏡Mikulski檔案中。
任務(wù)目標(biāo)
TESS屬于“探索者計(jì)劃”中的“行星獵手”(Planet Hunter)。在首次全星空測(cè)量中,TESS將對(duì)圍繞不同恒星類型、不同軌道距離的行星進(jìn)行鑒定,搜尋目標(biāo)包括從地球大小的行星到氣態(tài)巨行星的各類行星。
TESS將重點(diǎn)觀測(cè)視星等亮于12星等的G類、K類和M類恒星。在2年的任務(wù)時(shí)間內(nèi),TESS將監(jiān)視超過20萬顆恒星(包含1000顆最近的紅矮星)的亮度,搜尋由行星凌日造成的亮度短暫下降。凌日是指系外行星從觀測(cè)視野方向經(jīng)過,遮擋部分恒星的光芒,從而造成恒星亮度的短暫下降。TESS預(yù)計(jì)將登記超過3000個(gè)凌日系外行星候選者,包括約300個(gè)地球大小和“超級(jí)地球”的行星樣本,這些行星半徑都不超過地球半徑的2倍,其中預(yù)計(jì)約有20個(gè)位于恒星宜居帶的“超級(jí)地球”。TESS將探測(cè)小型巖石和冰的行星,這些行星環(huán)繞不同的恒星類型并覆蓋了大跨度的軌道周期,包括位于恒星宜居帶的巖質(zhì)行星。
與搜尋距離地球數(shù)千、數(shù)萬光年的系外行星的“開普勒”任務(wù)相比,TESS望遠(yuǎn)鏡將搜尋太陽系周圍各個(gè)方向、數(shù)百光年以內(nèi)的系外行星。TESS使用4臺(tái)相機(jī)對(duì)南北兩個(gè)半球的夜空展開搜尋,將會(huì)覆蓋85%的天域。
TESS搜索到的系外行星候選人可以供眾多現(xiàn)在及未來的天文任務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步研究,包括全自治行星搜尋望遠(yuǎn)鏡、HARPS、未來的ESPRESSO和JWST任務(wù)。麻省理工學(xué)院的研發(fā)小組認(rèn)為,首個(gè)星際空間任務(wù)的目標(biāo)將是TESS發(fā)現(xiàn)的行星。
TESS的主要目標(biāo)是尋找凌日系外行星,同時(shí)還將通過“客座研究者計(jì)劃”(GI)進(jìn)行其他天體物理學(xué)目標(biāo)的觀測(cè)。近全天巡視的TESS能夠用于大量不同類型天體的研究,包括新生的恒星、明亮的雙星、臨近星系的超新星,以及遙遠(yuǎn)活動(dòng)星系中的超大質(zhì)量黑洞。
系統(tǒng)組成和有效載荷
TESS航天器的發(fā)射質(zhì)量為350kg,尺寸為3.7m×1.2m×1.5m,能源為400W。為了保證任務(wù)所需的光度穩(wěn)定性,TESS航天器采用了軌道-ATK公司的低地軌道星-2(LEOStar-2)平臺(tái)。航天器的有效載荷主要包括4個(gè)寬視野的CCD相機(jī)和1個(gè)數(shù)據(jù)處理裝置(DHU)。
LEOStar-2平臺(tái)是一個(gè)靈活的、高性能的航天器平臺(tái),適用于空間和地球科學(xué)、遙感以及其他應(yīng)用。LEOStar-2可以容納各種各樣的儀器接口,提供的軌道平均有效載荷功率可達(dá)2kW,有效載荷質(zhì)量可達(dá)500kg。性能選項(xiàng)包括冗余、推進(jìn)能力、高數(shù)據(jù)速率通信、高度敏捷性/高精度指向。TESS將是NASA第8個(gè)使用該平臺(tái)的航天器,之前的任務(wù)包括“太陽輻射與氣候?qū)嶒?yàn)”(SORCE)、“星系演化探測(cè)器”(GALEX)、“中間層大氣高空冰探測(cè)”(AIM)、“核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列”(NuSTAR)和軌道碳觀測(cè)臺(tái)-2(OCO-2)等航天器。
傳統(tǒng)軌道LEOStar-2航天器平臺(tái)包括:三軸穩(wěn)定指向優(yōu)于3″;雙頭星敏感器,4飛輪零動(dòng)量系統(tǒng);433W單軸連接太陽電池陣列;被動(dòng)熱控制;單元推進(jìn)劑推進(jìn)系統(tǒng);Ka頻段科學(xué)下行傳輸數(shù)率可達(dá)100Mbit/s。
TESS有效載荷包含4個(gè)相同的相機(jī)和1個(gè)數(shù)據(jù)處理裝置。每個(gè)相機(jī)包括1個(gè)由7個(gè)光學(xué)元件裝配而成的透鏡、1個(gè)由4個(gè)CCD組成的檢測(cè)器,以及其他關(guān)聯(lián)電子設(shè)備。所有的4個(gè)相機(jī)都是安裝在1個(gè)單層板上。
每個(gè)相機(jī)參數(shù)為:24°×24°的視野,100mm的有效瞳孔直徑,由7個(gè)光學(xué)元件裝配而成的透鏡,消熱差設(shè)計(jì),600~1000nm的帶通,以及16.8兆像素、低噪聲、低功率的麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室CCID-80檢測(cè)器。
任務(wù)歷程
TESS于2018年4月19日06:51搭載獵鷹-9v1.1火箭從佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。07:53,TESS的2副太陽電池翼成功展開。之后的數(shù)周,TESS將執(zhí)行6次發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)動(dòng),經(jīng)過數(shù)個(gè)中轉(zhuǎn)軌道后抵達(dá)月球附近并執(zhí)行月球借力轉(zhuǎn)移,最終進(jìn)入周期為13.7天的科學(xué)軌道。在經(jīng)過約60天的在軌測(cè)試后,TESS將開始為期2年的正式觀測(cè)。
為了獲得北半球和南半球的無阻擋視野,TESS的工作軌道為108000km×373000km的大橢圓地球環(huán)繞軌道,軌道周期為13.7天。選擇該軌道作為工作軌道的原因包括:對(duì)于連續(xù)光變曲線的觀測(cè)沒有視野阻擋;是一條穩(wěn)定的2:1月球共振軌道,可以遠(yuǎn)離月球從而保證軌道穩(wěn)定性;具有熱穩(wěn)定和低輻射的特點(diǎn)。
TESS的探測(cè)將分26個(gè)觀測(cè)部分,每個(gè)觀測(cè)部分為24°×96°,在黃極存在區(qū)域重疊,從而增強(qiáng)JWST連續(xù)觀測(cè)區(qū)域(CVZ)中更小、更長(zhǎng)周期系外行星的觀測(cè)。衛(wèi)星將花費(fèi)2個(gè)周期(27天)對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行觀測(cè),以2min的頻率觀測(cè)最明亮的恒星。TESS將在第一年繪制北半球星空,在第二年繪制南半球星空,觀測(cè)將覆蓋85%的天域。每個(gè)相機(jī)將以1min的節(jié)奏對(duì)最亮的10萬顆恒星進(jìn)行曝光,全畫面的圖像將以30min的節(jié)奏進(jìn)行曝光,從而進(jìn)行其他凌日事件的搜索。
TESS是美國(guó)第二架專門用于系外行星探測(cè)的空間望遠(yuǎn)鏡,在定位和科學(xué)目標(biāo)等方面與仍然在軌運(yùn)行的“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡存在很大的不同。相比于專注于探測(cè)系外行星進(jìn)而揭示宇宙科學(xué)問題的“開普勒”而言,TESS科學(xué)探測(cè)目的性較弱,更接近一個(gè)向詳盡探測(cè)系外行星階段轉(zhuǎn)換的過渡任務(wù),探測(cè)目標(biāo)與后續(xù)的JWST任務(wù)關(guān)系緊密?;趯ふ疫m合進(jìn)一步探測(cè)的系外行星這一目標(biāo),TESS選定了巡天觀測(cè)的模式,并首次采用了2:1月球共振軌道。同時(shí),探測(cè)器采用了成熟的對(duì)地觀測(cè)和空間科學(xué)平臺(tái),有效降低了任務(wù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。
任務(wù)定位分析
系外行星探測(cè)作為近年來天文觀測(cè)的一個(gè)熱點(diǎn)方向,獲得了快速的發(fā)展。自1995年科學(xué)家確認(rèn)第一顆主序星的系外行星以來,人類對(duì)系外行星的探測(cè)熱情及探測(cè)能力不斷提升。從最開始每年發(fā)現(xiàn)數(shù)顆系外行星發(fā)展到目前每年發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆系外行星,系外行星探索歷程大致可以分為兩個(gè)階段:第一個(gè)階段,以地面探索為主,空間探索開始利用“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”等設(shè)施進(jìn)行試驗(yàn)性探測(cè),這一階段每年探測(cè)數(shù)量?jī)H為數(shù)顆到數(shù)十顆衛(wèi)星;第二階段,以“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用為起點(diǎn),空間探測(cè)成為系外行星探測(cè)的重要手段,每年探測(cè)數(shù)量達(dá)到數(shù)百顆。在“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)大量行星的基礎(chǔ)上,人類已經(jīng)完成數(shù)千顆系外行星的編目。
目前,大范圍的檢索以及回答系外行星的存在與大致分布已經(jīng)基本完成,美國(guó)和歐洲已經(jīng)開始構(gòu)想系外行星探測(cè)的下一個(gè)階段,即詳盡探測(cè)引人關(guān)注的系外行星,了解系外行星的構(gòu)成與成分,探明其宜居性以及生物存在的可能性。盡管“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆系外行星,但由于“開普勒”探測(cè)的多數(shù)目標(biāo)距離太陽系較遠(yuǎn)、恒星亮度較低,在目前觀測(cè)能力下不適于開展系外行星詳盡特性探測(cè)。而TESS將重點(diǎn)尋找距離太陽系較近、環(huán)繞恒星亮度較高的系外行星,TESS觀測(cè)的恒星相比“開普勒”觀測(cè)的恒星明亮30~100倍,更有利于開展進(jìn)一步的詳盡探測(cè),為JWST等未來空間及地面觀測(cè)任務(wù)提供備選觀測(cè)目標(biāo)。因此,TESS的任務(wù)定位是探測(cè)臨近太陽系的明亮恒星附近的系外行星,為未來詳盡探測(cè)以及更遠(yuǎn)的抵近探測(cè)提供合適的目標(biāo)。
地面觀測(cè)系統(tǒng)無法對(duì)全天域進(jìn)行觀測(cè),只有空間探測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全天域的巡視。TESS是首個(gè)近全天巡視觀測(cè)的系外行星探測(cè)器,可實(shí)現(xiàn)臨近星系全面探測(cè)。TESS將全面探測(cè)地球尺寸行星到氣態(tài)巨行星的各類系外行星,覆蓋各種恒星類型和行星軌道距離?!伴_普勒”空間望遠(yuǎn)鏡主要觀測(cè)天鵝座方向數(shù)百到數(shù)千光年外的系外行星,其尋找到的2600余顆系外行星大多距離地球300~3000光年,而TESS將觀測(cè)所有方向距離地球30~300光年的系外行星。TESS將整個(gè)天域分為26個(gè)區(qū)域,對(duì)每個(gè)區(qū)域連續(xù)觀測(cè)超過27天,最終利用2年的時(shí)間完成近全天域的觀測(cè)。TESS觀測(cè)的天域范圍是“開普勒”的350倍,約為全天域的85%。
觀測(cè)方法及軌道分析
由于系外行星本身不發(fā)光且距離地球遙遠(yuǎn),因此對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)非常困難。行星的發(fā)射光亮度通常僅為母恒星亮度數(shù)的千萬分之一至數(shù)百億分之一,其光芒會(huì)被母恒星光芒所淹沒。同時(shí),距離太陽系最近的比鄰星也在1pc(pc為秒差距,1pc=3.2616光年=3.08568×1013km)以外,與比鄰星相距1AU的行星在天球上相距比鄰星也不超過1″(1/3600°)的張角,并且張角隨著行星與地球距離的增大而減小。搜尋系外行星猶如在數(shù)千米外尋找燈光下的螢火蟲一般困難,并且距離太陽系越遠(yuǎn)、質(zhì)量越小的行星,探測(cè)難度越大。
直接對(duì)系外行星進(jìn)行成像觀測(cè)非常困難,需要極高的精度和靈敏度,因此科學(xué)家通過觀測(cè)其不同影響間接對(duì)系外行星進(jìn)行探測(cè),這些間接觀測(cè)方法包括凌日法、徑向速度法、脈沖星計(jì)時(shí)法、天體測(cè)量學(xué)以及微引力透鏡法等。其中凌日法的原理是觀測(cè)行星通過母恒星前方時(shí)母恒星亮度發(fā)生的細(xì)微變化,進(jìn)而探測(cè)系外行星。凌日法可以同時(shí)觀測(cè)大范圍天域的大量恒星,適合進(jìn)行系外行星的搜尋,包括“開普勒”在內(nèi)的大多空間探測(cè)系統(tǒng)都采用該方法進(jìn)行系外行星的搜索,目前已知的3700余顆系外行星中超過78%的行星是通過凌日法搜索得到的。
此外,凌日法觀測(cè)可以根據(jù)恒星亮度變化的程度確定行星的尺寸,并通過凌日發(fā)生的周期確定行星軌道的距離。行星尺寸和軌道距離對(duì)于行星是否能夠支持生命誕生與演化非常重要,探測(cè)這兩項(xiàng)信息對(duì)于認(rèn)知行星是否宜居非常關(guān)鍵。TESS將首先利用凌日法建立包含數(shù)千顆系外行星的目錄,鑒于凌日法探測(cè)的虛假率較高,由凌日法檢測(cè)的“待定系外行星”需要通過徑向速度法以及進(jìn)一步的觀測(cè)進(jìn)行復(fù)查才能確定,TESS任務(wù)將組織后續(xù)地面觀測(cè)確定最終的系外行星目錄,并協(xié)同其他地面望遠(yuǎn)鏡測(cè)量行星的質(zhì)量。利用行星尺寸、軌道距離和行星質(zhì)量,能夠確定行星的構(gòu)成,從而揭示行星是類似地球的巖質(zhì)行星還是類似木星的氣體行星,亦或是其他行星。JWST等后續(xù)地面和空間觀測(cè)任務(wù)還將進(jìn)一步研究TESS搜尋到的行星的大氣。
為了在2年時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)全天域系外行星的觀測(cè),TESS的軌道需要非常穩(wěn)定且沒有過多的遮擋,同時(shí)最大化天空覆蓋面積。為此,TESS團(tuán)隊(duì)選擇了從未被使用過的P/2月球共振軌道,軌道周期為月球軌道周期的1/2,約為13.7天。當(dāng)航天器在軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)與地月連線呈90°時(shí),該類月球共振軌道上航天器受到地月引力影響幾乎為零。因此,該類軌道具備極好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性,航天器所需的軌道維持機(jī)動(dòng)非常少。同時(shí),該類軌道能夠提供相當(dāng)清晰的視野,地面站的可見性也非常好,受到雜散光和輻射的影響很小,非常適于開展全天系外行星搜索任務(wù)。此外,航天器在軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)與地月連線并不嚴(yán)格要求呈90°,即便偏離30°仍然可以保持非常高的穩(wěn)定性,因此任務(wù)具有較多的發(fā)射機(jī)會(huì),在27天的月球軌道周期中有23天可以用于任務(wù)發(fā)射。
系外行星空間探測(cè)已成天文觀測(cè)熱點(diǎn),應(yīng)盡快規(guī)劃與實(shí)施
系外行星空間探測(cè)具有重大的科學(xué)意義,能夠牽引光學(xué)觀測(cè)等領(lǐng)域和技術(shù)的發(fā)展,同時(shí)還是尋找地外生命和“第二地球”的重要手段,將推動(dòng)人類邁向星際文明種族,已成為當(dāng)前發(fā)展最為迅速的新興天文觀測(cè)領(lǐng)域。美國(guó)、歐洲等國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)相繼開展了“對(duì)流、旋轉(zhuǎn)與行星凌日”(CoRoT)、“開普勒”、TESS等任務(wù),并在未來規(guī)劃了JWST、“描繪系外行星衛(wèi)星”(CHEOPS)、“柏拉圖”(PLATO)等任務(wù)。此外,系外行星探測(cè)具有科學(xué)探索性強(qiáng)、民眾興趣高、影響意義大的特點(diǎn),開展此類任務(wù)可以極大提高民眾對(duì)于航天的關(guān)注。目前,系外行星空間探索門檻相對(duì)較低,并且全球探測(cè)尚處于初始大范圍搜索階段,中國(guó)應(yīng)當(dāng)把握機(jī)遇,盡快開展系外行星探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃與實(shí)施,占據(jù)系外行星探測(cè)先驅(qū)者的一席之地。
TESS將奠基未來詳盡特性探測(cè),應(yīng)注重系外行星特性探測(cè)
系外行星空間探測(cè)經(jīng)歷10余年的發(fā)展,美國(guó)和歐洲等已經(jīng)渡過了開展試驗(yàn)性探測(cè)的階段,目前正在開展大規(guī)模的系外行星搜索,而下一步即將開始針對(duì)已經(jīng)探測(cè)到的目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)的探測(cè),以了解系外行星的特征和適居性,例如,即將于2020年發(fā)射的JWST等。TESS正是基于奠基未來詳盡特性探測(cè)任務(wù)這一目的,將開展近太陽系明亮恒星附近系外行星的搜索,為未來詳盡特性探測(cè)任務(wù)提供備選目標(biāo)。中國(guó)在開展系外行星探測(cè)任務(wù)時(shí)應(yīng)充分利用可獲取的系外行星搜索成果,在歐美已經(jīng)完成系外行星大范圍搜索的基礎(chǔ)上,應(yīng)當(dāng)直接開展系外行星特性探測(cè)任務(wù),避免重復(fù)搜索的同時(shí)增強(qiáng)科學(xué)探測(cè)成果的先進(jìn)性。