NASA最新的行星獵人——TESS望遠鏡 尋找系外行星

下一代人類觀察夜空的方式將會與我們今天的完全不同。即使是在城市里，耀眼的燈光淹沒了所有星星，就剩下最亮的那一顆，人們也可以抬頭，找到一個遙遠的恒星，然後描述環繞著它運行的外星世界。

在寒冷的山頂上，巨大的望遠鏡將仔細觀察這些世界，幫助天文學家辨別它們的大小和基本組成成分。繞地球運行的望遠鏡將會觀察到它們的大氣層，並可能會發現生命的跡象。通過盯著恒星的閃爍——海洋光線的明亮反射——天文學家應該能夠繪制行星大陸的地圖，並發現它們的許多高山和大峽谷。

宇宙不會再是一片由幾乎完全相同的恒星組成的海洋，夜空中將會有許多「地方」：擁有名字和特徵的行星，它們對於我們來說將會和木星或火星一樣熟悉。這個發現的時代現在已經開始了，NASA最新的行星獵人，過渡系外行星調查衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite)。TESS號於今年4月發射升空，標誌著科學家們研究系外行星方式的嶄新篇章。我們將不再像過去十年那樣震驚於宇宙中行星的數量，而是驚嘆其結構和組成成分的多樣性。

馬里蘭州美國NASA戈達德太空飛行中心的天文學家帕迪·博伊德(Padi Boyd)說：「當我還是個孩子的時候，我爸爸帶我去外面教我看星座，他向我指出了一些你用肉眼不一定能看到的東西。」她的父親會指出獵戶座腰帶上的三顆恒星，並告訴她在它們附近可以發現一些壯觀的東西：獵戶座星雲的紫色棉花糖泡芙，在那里誕生了新的恒星。博伊德沒有望遠鏡，那些星系她都看不見，但天文學家對此了解很多。

「但是我們從來沒有討論過圍繞其他恒星的行星，」Boyd說。「多虧了TESS，過不了幾年，你在晚上和孩子們一起出去看星星的時候，不僅可以談論那些在星座里看不到的星雲，還可以談論那些你看不見的行星。」

1995年10月，宇宙中可能存在另一個類似地球的世界這個想法成為現實。天文學家米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎羅茲宣布，他們在飛馬座51周圍發現了一顆行星，這是他們首次在類似太陽的恒星周圍發現一顆系外行星。天文學家還需要15年才能完全認識到銀河系這個角落的行星是多麼的豐富。2011年2月，與美國NASA開普勒太空望遠鏡合作的科學家宣布發現了1300多顆潛在行星。如此之多的外星世界和如此之多的類型，顛覆了天文學的認識。

「開普勒讓我們知道行星無處不在，這是我們可能希望得到的最好的答案。平均來說，你可以假設每顆恒星周圍都有一顆行星。」目前有3700多顆被證實的系外行星，其中近四分之三是開普勒發現的。(開普勒運行的時間足夠長，得以完成了名為K2的後續任務，但太空器的燃料幾乎耗盡。)

開普勒號是第一個致力於發現這些行星的任務，但它是一個人口普查器，設計用於確定有多少行星和哪種行星。開普勒項目的工程師們在不知道宇宙有什麼行星的情況下，設計它每次只觀察一小片天空，在這片區域內尋找一些熟悉的東西：圍繞著太陽類型的恒星運行的類似於地球的物體。盡管目標有限，它還是設法找到了許多行星，從炙熱的巖石球，到圍繞著難以想像的小軌道運行的類木星氣態巨行星，再到接近海王星大小的超級地球。TESS的首席研究員，麻省理工學院Kavli研究所的天文學家George Ricker說，開普勒發現的大多數行星都很遠，即使是最強大的望遠鏡也無法分辨出有意義的細節。

TESS任務通過觀察更接近地球的恒星來解決這個問題。開普勒觀察的是一小片區域，並進行仔細觀察，而TESS幾乎會從各個方向觀察，只不過觀察得沒那麼深入。它將使用4個錄影頭構建一張85%的天空地圖，比開普勒所研究的區域要大近350倍。就這樣，它將作為開普勒第一次人口普查的深入人口統計學家。戈達德的天體生物學家Shawn Domagal-Goldman說：「我認為開普勒就像一個調查，就像對行星的調查，用它來推斷更大的行星數量。就像我們進行民意調查一樣，但最終我們會想做一些更像焦點小組的事情，去更好地了解這些行星。」

和開普勒一樣，TESS也會通過尋找恒星亮度的變化來找到系外行星。它的光線曲線會顯示出暗光，表明有一顆行星從它前面經過。這些行星過境有助於確定一顆行星的大小，但TESS並不攜帶分光鏡，而分光鏡是計算一顆行星的質量所必需的。因此，其使命的一個組成部分就是利用下一代望遠鏡將數據分發給天文學家，下一代的望遠鏡將能夠對行星進行詳細的觀測。娜塔莉亞·格雷羅(Natalia Guerrero)是第一個對觀測到的物體進行識別的團隊的主管者之一，她說，「TESS將會是一次偵察任務，我們真的很想找到那些用地面和其他太空望遠鏡就很容易追蹤到的恒星。」

開普勒發送數據非常緩慢，但TESS發送數據的速度很快。它們速度差異的部分原因是軌道的差異。開普勒在與地球同步的太陽軌道上跟在地球後面，在我們後面不斷地滑得更遠;由於這個原因，開普勒的數據傳送速度慢慢下降，天文學家只能每秒下載大約1兆比特。盡管開普勒的傳感器可以看到很多的恒星，但開普勒在其任務期內只能傳輸15萬顆恒星的數據。

而TESS則在一個複雜的、高度橢圓形的軌道上飛行，每隔兩周，它就會運行到相當於月球到地球的距離的位置。這一軌道使TESS在沒有來自月球或地球的強光的情況下，能看到盡可能更多的天空，並利用月球的重力來穩定太空器，降低燃料需求，這一經濟的做法可以延長任務的壽命。當TESS回到近地軌道時，它以每秒100兆的速度輸出前幾周的數據。在計劃兩年的任務期間，該太空器應該能夠向基地發送超過2000萬顆恒星的數據。該任務於6月正式開始觀測，第一批數據將於今年1月公布。

被TESS瞄準的恒星，主要是因為它們離地球更近，而且它們比開普勒望遠鏡觀測到的恒星要亮30到100倍。其中包括少數幾顆在全球主要城市強光照耀下仍能被看到的恒星。「TESS可以觀察每一個恒星，看看它們是否有行星，」Ricker說，「如果其中只有很少一部分，甚至只有兩三個，最終被證明周圍有行星環繞，那也將是一個奇跡。」到了那時候地球上的每個人都可以仰望星空，遙指著另一個世界。

TESS將以條紋狀的部分來劃分天空，每個條紋狀部分大概有獵戶座般大小。TESS將每30分鐘拍攝一張巨大的全畫幅圖像，同時每兩分鐘還會在背景中監測數千顆恒星，創建多個圖層，這些圖層隨後由位於加州NASA艾姆斯研究中心的一台超級計算機進行編譯。從南半球開始，TESS將在27天內完成一個部分，然後轉移到下一個部分，兩年後將會覆蓋整個天空。這個任務可以比原計劃更長，在這種情況下，TESS將重新開始並再次觀察每個半球。

設計人員預計，除了系外行星外，望遠鏡還會發現許多物體。由於它的錄影機將在同一方向上測量相對快速的亮度變化，它最終將創建一個在整個天空中快速變化的物體目錄。Ricker是一名研究伽瑪射線暴等現象的科學家，他說這次任務對瞬態天文學的貢獻將是巨大的。TESS將所有類型的恒星爆發：相對溫和的新星吞噬它的伴星，用於研究宇宙的擴張「標準燭光」1型超新星，和被稱為kilonova的 新髮現現象，這種噴發現象發生在高能雙星系統相撞的時候，像兩個黑洞或中子星相撞。Ricker說，TESS團隊正在通過分析2017年8月17日中子星融合的數據來進行準備，那是對引力波的第二次確認觀測。那次融合一開始產生了引力波，隨後我們觀察到了各種波長的光。研究小組認為，TESS應該能夠記錄和識別類似的事件。

格雷羅說，在這種任務中，一個人的垃圾是另一個人的財富。TESS所有的觀察數據都將提供給任何想看一眼的人。這與之前的任務不同，其中最引人註目的依然是開普勒，它將一些有趣的數據保留了幾個月，以便NASA的科學家和合作夥伴能夠首先分析它。這一專有時期引發了爭議，因為其他系外行星研究者也在等待獲得開普勒的信息。而TESS則不會有這樣的信息封閉，格雷羅和Ricker說。

當艾姆斯超級計算機校準測量數據，排除故障，將數據分層成光線曲線時，「有一個試用期，但是一旦數據進入存檔，每個人都可以使用它，」Ricker說。「我們曾經說過，當我們努力讓TESS得到批准，讓她成功升空的時候，它將會是屬於人們的望遠鏡。無論你是業餘的還是專業的天文學家，TESS的數據都會在那里為你服務。」TESS的數據會儲存在太空望遠鏡科學研究所的檔案里，該數據庫原本是為哈勃望遠鏡創建的。

開普勒在如此短的時間內發現了如此多的行星，以至於天文學家觀察到系外行星這種發現從一個引人註目的焦點變成了老生常談的話題。但是，TESS將把這個領域帶入一個全新的領域，TESS發射前的項目科學家斯蒂芬·萊因哈特(Stephen Rinehart)稱之為比較行星學。

戈達德天體生物學家Domagal-Goldman說系外行星研究人員通常分為兩大類：通過初步觀察發現行星，並以其大小和軌道進行分類的天文學家;以及利用光譜學研究行星的大氣層以分類它們屬於什麼行星的科學家。一顆大致被第一類研究人員分類為「類地」的系外行星也可能也包括金星和火星之類的星體，但只有第二類研究人員才能夠區分它們是否可能孕育我們熟悉的那種生命。弄清楚這些遙遠行星的細節可以告訴我們……嗯，我們也不知道這能告訴我們什麼。它可以告訴我們很多關於宇宙中生命存在的可能性的事情，但是目前，光譜學家並沒有很多東西可以研究。

「TESS的有趣之處在於，我已經從我的同事身上看到，這些群體之間開始有了更多的交流，」多瑪格爾·戈德曼說，「現在這些光譜學家對這些發現非常感興趣，但是是以一種他們以前從來沒試過的方式……對於發現者來說，這些行星是他們的嬰兒，當他們找到它們並寫了一篇關於它們的文章時，他們是愛著它們的，他們想知道更多關於它們的事。要做到這一點，最好的方法是與一位光譜學專家合作，因為他可能「有時間在一台強大的望遠鏡上詳細研究它」。

麻省理工學院的Natalia Guerrero將幫助對TESS「感興趣的對象」進行分類。」(NASA /Ben Smegelsky)

萊因哈特說，群體的這種變化也是世代相傳的。年輕的天文學家更願意分享他們收集到的數據，並將他們的編程代碼用於分析，並為同事提供開源模型。「天文學的在以往的做法是‘這是我的數據，別碰我的數據，’」他說，「如今，人們似乎更願意合作，更願意分享想法，他們會說，‘嘿，我們可以在這方面共同努力，得到更好的結果。’」

TESS的發現不僅取決於一個樂於合作的群體，還取決於天文學家們在不久的將來能夠接觸到哪個天文台。TESS的確是會自己發現新的東西，但它的真正價值在於能讓別人站在它的肩膀上。定於2020年5月前發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)，和夏威夷的凱克天文台(Keck Observatory)以及於智利阿塔卡馬沙漠的在建巨型地面望遠鏡，對於描繪這些新世界來說至關重要。用多瑪格爾·戈德曼的話來說，正是這些望遠鏡，而不是TESS，將能夠在遙遠的「彩虹點」上看到外星生命的第一個信號。

沒有人知道新的行星會是什麼樣子，但是多虧了開普勒，我們知道會有一些很奇怪的行星。「有那些熔巖行星，水世界，下紅寶石雨的行星;也有我們太陽系里沒有的迷你海王星。「我們已經發現了非常有趣的行星。現在有了TESS，我們只是想回答一個大問題：我們的太陽系在宇宙中是屬於普通的還是獨一無二的?

多瑪格爾-戈德曼(Domaga – Goldman)做了一個思想實驗，設想TESS如何能讓天文學家找到外星生命。首先，TESS必須在一顆相對普通恒星的宜居帶中找到一個巖石世界，這顆恒星離恒星足夠近，可以讓液態水存在，但離恒星的範圍也足夠遠，免受恒星耀斑的影響。如果這顆恒星離我們的太陽系很近——比如說5光年遠——天文學家們就可以用即將建成的望遠鏡來拍攝它的照片。

多瑪格爾-戈德曼說：「你可以拍下這個淡藍色的點的快照，你可以拍滿一張完整的光盤，你可以在望遠鏡看到行星旋轉時的變化，你可以開始繪制大陸和雲層，你甚至可以看到大片的雨林。你也許能看到事物的變化，就像你能看到地球上的季節變化一樣。如果我們看到了氧，其實只有氧本身是不夠的，能看到氧和甲烷的話會好一點，我們可能會通過閃光探測到海洋，那就更好了。然後，如果我們有看到一點綠色的話……接下來我就要說了：如果沒有生命，那你怎麼解釋所有的這些數據?

最終，想要證明系外行星上存在生命，可能只有當人類找到一種向恒星發射探測器的方法時才有可能做到。這一任務很可能不會發生在我們的有生之年，遙遠得似乎是一種幻想。但是，如果這個奇幻任務真的做到了，那麼它要講述的故事就會植根於TESS現在所做的工作中。