王帥（北京空間科技信息研究所）

北京時間2018年4月19日06∶51，美國國家航空航天局（NASA）的新一代系外行星探測任務(wù)“凌日系外行星觀測衛(wèi)星”（TESS）在卡納維拉爾角空軍基地搭載美國太空探索技術(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任務(wù)。TESS是繼“開普勒”（Kepler）之后，NASA第二個系外行星探測空間望遠(yuǎn)鏡，主要目的是進(jìn)行巡天觀測，在2年的計劃工作時間內(nèi)，利用凌日法探測太陽系附近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)一步觀測以及未來的抵近探測。

1 任務(wù)基本情況

TESS是NASA“探索者計劃”（Explorers Program）中的一個空間望遠(yuǎn)鏡，設(shè)計任務(wù)時間為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，探測行星的質(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。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計劃巡視20萬顆太陽附近最明亮的恒星，預(yù)計編目2000個候選行星目標(biāo)，其中包括約300顆地球大小或“超級地球”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目標(biāo)。

任務(wù)背景

2013年，TESS作為一個天體物理學(xué)任務(wù)入選NASA的“探索者計劃”。TESS具有很長的歷史，起源于2006年的一個小型私人資助任務(wù)。在開始時，該計劃的資金支持者為一些私營企業(yè)，包括谷歌公司(Google)、美國卡維里基金會（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“小型探索者”（SMEX）級別任務(wù)。在這次競爭過程中，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）級別任務(wù)。TESS是該新型“探索者”任務(wù)分類中的第一個任務(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)院林肯實驗室負(fù)責(zé)研制相機(jī)，包括鏡頭組件、探測器組件、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“探索者計劃”中的“行星獵手”（Planet Hunter）。在首次全星空測量中，TESS將對圍繞不同恒星類型、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)計將登記超過3000個凌日系外行星候選者，包括約300個地球大小和“超級地球”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)計約有20個位于恒星宜居帶的“超級地球”。TESS將探測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方向、數(shù)百光年以內(nèi)的系外行星。TESS使用4臺相機(jī)對南北兩個半球的夜空展開搜尋，將會覆蓋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，同時還將通過“客座研究者計劃”（GI）進(jìn)行其他天體物理學(xué)目標(biāo)的觀測。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。航天器的有效載荷主要包括4個寬視野的CCD相機(jī)和1個數(shù)據(jù)處理裝置（DHU）。

（1）LEOStar-2平臺

LEOStar-2平臺是一個靈活的、高性能的航天器平臺，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個使用該平臺的航天器，之前的任務(wù)包括“太陽輻射與氣候?qū)嶒灐保⊿ORCE）、“星系演化探測器”（GALEX）、“中間層大氣高空冰探測”（AIM）、“核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列”（NuSTAR）和軌道碳觀測臺-2（OCO-2）等航天器。

傳統(tǒng)軌道LEOStar-2航天器平臺包括：三軸穩(wěn)定指向優(yōu)于3″；雙頭星敏感器，4飛輪零動量系統(tǒng)；433W單軸連接太陽電池陣列；被動熱控制；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。

（2）有效載荷

TESS有效載荷包含4個相同的相機(jī)和1個數(shù)據(jù)處理裝置。每個相機(jī)包括1個由7個光學(xué)元件裝配而成的透鏡、1個由4個CCD組成的檢測器，以及其他關(guān)聯(lián)電子設(shè)備。所有的4個相機(jī)都是安裝在1個單層板上。

每個相機(jī)參數(shù)為：24°×24°的視野，100mm的有效瞳孔直徑，由7個光學(xué)元件裝配而成的透鏡，消熱差設(shè)計，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)院林肯實驗室CCID-80檢測器。

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)動機(jī)機(jī)動，經(jīng)過數(shù)個中轉(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天的在軌測試后，TESS將開始為期2年的正式觀測。

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：對于連續(xù)光變曲線的觀測沒有視野阻擋；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的探測將分26個觀測部分，每個觀測部分為24°×96°，在黃極存在區(qū)域重疊，從而增強(qiáng)JWST連續(xù)觀測區(qū)域（CVZ）中更小、更長周期系外行星的觀測。衛(wèi)星將花費(fèi)2個周期（27天）對每個區(qū)域進(jìn)行觀測，以2min的頻率觀測最明亮的恒星。TESS將在第一年繪制北半球星空，在第二年繪制南半球星空，觀測將覆蓋85%的天域。每個相機(jī)將以1min的節(jié)奏對最亮的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。

2 任務(wù)特點(diǎn)分析

TESS是美國第二架專門用于系外行星探測的空間望遠(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)探測目的性較弱，更接近一個向詳盡探測系外行星階段轉(zhuǎn)換的過渡任務(wù)，探測目標(biāo)與后續(xù)的JWST任務(wù)關(guān)系緊密?；趯ふ疫m合進(jìn)一步探測的系外行星這一目標(biāo)，TESS選定了巡天觀測的模式，并首次采用了2：1月球共振軌道。同時，探測器采用了成熟的對地觀測和空間科學(xué)平臺，有效降低了任務(wù)的成本和風(fēng)險。

任務(wù)定位分析

（1）瞄準(zhǔn)臨近系外行星探測，奠基未來詳盡探測任務(wù)

系外行星探測作為近年來天文觀測的一個熱點(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，人類對系外行星的探測熱情及探測能力不斷提升。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階段：第一個階段，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)行試驗性探測，這一階段每年探測數(shù)量僅為數(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)，空間探測成為系外行星探測的重要手段，每年探測數(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，美國和歐洲已經(jīng)開始構(gòu)想系外行星探測的下一個階段，即詳盡探測引人關(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，在目前觀測能力下不適于開展系外行星詳盡特性探測。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觀測的恒星相比“開普勒”觀測的恒星明亮30～100倍，更有利于開展進(jìn)一步的詳盡探測，為JWST等未來空間及地面觀測任務(wù)提供備選觀測目標(biāo)。因此，TESS的任務(wù)定位是探測臨近太陽系的明亮恒星附近的系外行星，為未來詳盡探測以及更遠(yuǎn)的抵近探測提供合適的目標(biāo)。

（2）采取近全天的巡視模式，實現(xiàn)臨近星系全面探測

地面觀測系統(tǒng)無法對全天域進(jìn)行觀測，只有空間探測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對全天域的巡視。TESS是首個近全天巡視觀測的系外行星探測器，可實現(xiàn)臨近星系全面探測。TESS將全面探測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。“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡主要觀測天鵝座方向數(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將觀測所有方向距離地球30～300光年的系外行星。TESS將整個天域分為26個區(qū)域，對每個區(qū)域連續(xù)觀測超過27天，最終利用2年的時間完成近全天域的觀測。TESS觀測的天域范圍是“開普勒”的350倍，約為全天域的85%。

觀測方法及軌道分析

（1）探測采用成熟的凌日法，適于進(jìn)行大范圍行星搜索

由于系外行星本身不發(fā)光且距離地球遙遠(yuǎn)，因此對其進(jìn)行觀測非常困難。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，其光芒會被母恒星光芒所淹沒。同時，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，探測難度越大。

直接對系外行星進(jìn)行成像觀測非常困難，需要極高的精度和靈敏度，因此科學(xué)家通過觀測其不同影響間接對系外行星進(jìn)行探測，這些間接觀測方法包括凌日法、徑向速度法、脈沖星計時法、天體測量學(xué)以及微引力透鏡法等。其中凌日法的原理是觀測行星通過母恒星前方時母恒星亮度發(fā)生的細(xì)微變化，進(jìn)而探測系外行星。凌日法可以同時觀測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于行星是否能夠支持生命誕生與演化非常重要，探測這兩項信息對于認(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，鑒于凌日法探測的虛假率較高，由凌日法檢測的“待定系外行星”需要通過徑向速度法以及進(jìn)一步的觀測進(jìn)行復(fù)查才能確定，TESS任務(wù)將組織后續(xù)地面觀測確定最終的系外行星目錄，并協(xié)同其他地面望遠(yuǎn)鏡測量行星的質(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)地面和空間觀測任務(wù)還將進(jìn)一步研究TESS搜尋到的行星的大氣。

(2）首次采用月球共振軌道，高度穩(wěn)定且視野無阻擋

為了在2年時間內(nèi)實現(xiàn)對全天域系外行星的觀測，TESS的軌道需要非常穩(wěn)定且沒有過多的遮擋，同時最大化天空覆蓋面積。為此，TESS團(tuán)隊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，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時間穩(wěn)定性，航天器所需的軌道維持機(jī)動非常少。同時，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，在27天的月球軌道周期中有23天可以用于任務(wù)發(fā)射。

3 結(jié)論與啟示

系外行星空間探測已成天文觀測熱點(diǎn)，應(yīng)盡快規(guī)劃與實施

系外行星空間探測具有重大的科學(xué)意義，能夠牽引光學(xué)觀測等領(lǐng)域和技術(shù)的發(fā)展，同時還是尋找地外生命和“第二地球”的重要手段，將推動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領(lǐng)域。美國、歐洲等國家和地區(qū)已經(jīng)相繼開展了“對流、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于航天的關(guān)注。目前，系外行星空間探索門檻相對較低，并且全球探測尚處于初始大范圍搜索階段，中國應(yīng)當(dāng)把握機(jī)遇，盡快開展系外行星探測任務(wù)的規(guī)劃與實施，占據(jù)系外行星探測先驅(qū)者的一席之地。

TESS將奠基未來詳盡特性探測，應(yīng)注重系外行星特性探測

系外行星空間探測經(jīng)歷10余年的發(fā)展，美國和歐洲等已經(jīng)渡過了開展試驗性探測的階段，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已經(jīng)探測到的目標(biāo)進(jìn)行精細(xì)的探測，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任務(wù)提供備選目標(biāo)。中國在開展系外行星探測任務(wù)時應(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任務(wù)，避免重復(fù)搜索的同時增強(qiáng)科學(xué)探測成果的先進(jìn)性。