美国发射新一代“行星猎手”任务

王帅（北京空间科技信息研究所）

北京时间2018年4月19日06∶51，美国国家航空航天局（NASA）的新一代系外行星探测任务“凌日系外行星观测卫星”（TESS）在卡纳维拉尔角空军基地搭载美国太空探索技术公司（SpaceX）猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭发射升空，将飞向地月共振轨道开展系外行星观测任务。TESS是继“开普勒”（Kepler）之后，NASA第二个系外行星探测空间望远镜，主要目的是进行巡天观测，在2年的计划工作时间内，利用凌日法探测太阳系附近20万颗最明亮恒星附近的行星，即通过寻找行星经过恒星前方时恒星亮度的变化寻找可能存在的行星，将为2020年发射的“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）以及其他大型地面望远镜提供进一步详尽探测的系外行星目标。不同于“开普勒”空间望远镜，TESS将专注于发现临近太阳的恒星附近的行星，这类行星距离太阳系更近，更适于进一步观测以及未来的抵近探测。

1 任务基本情况

TESS是NASA“探索者计划”（Explorers Program）中的一个空间望远镜，设计任务时间为2年，任务目标为利用凌日法搜寻系外行星。TESS任务的主要目标是探测太阳系附近明亮的恒星附近的行星，将利用一组广角相机进行巡天观测，探测行星的质量、体积、密度和轨道等详细参数及其行星大气，其中包括一部分处于恒星宜居带的岩质行星。TESS将为JMST、其他大型地面望远镜以及未来天基望远镜提供目标，以进行进一步的详细观测。TESS调查的恒星将比“开普勒”空间望远镜调查的恒星明亮30～100倍。因此，TESS搜寻到的行星更加易于后续观测得到其特性。TESS将得到拥有凌日系外行星的最近和最亮恒星的目录，这中间包括未来数十年最适合进行详细调查的系外行星。TESS计划巡视20万颗太阳附近最明亮的恒星，预计编目2000个候选行星目标，其中包括约300颗地球大小或“超级地球”大小的系外行星（不超过地球2倍大小）。TESS的发现将为后续更为综合的研究提供观测目标。

任务背景

2013年，TESS作为一个天体物理学任务入选NASA的“探索者计划”。TESS具有很长的历史，起源于2006年的一个小型私人资助任务。在开始时，该计划的资金支持者为一些私营企业，包括谷歌公司(Google)、美国卡维里基金会（Kavli）、麻省理工学院（MIT）的一些捐助者。这样的情况一直持续到2008年，此时麻省理工学院提议将TESS作为NASA官方的天体物理任务，并将其重组为一个“小型探索者”（SMEX）级别任务。在这次竞争过程中，TESS任务并没有被选中。2010年，TESS再次被提议作为NASA的“探索者”（EX）级别任务。TESS是该新型“探索者”任务分类中的第一个任务。2013年，TESS在投标流程中取得成功，NASA开始进行该项目的研发工作。麻省理工学院卡维里天体物理与空间研究所（MKI）在当前的TESS任务中始终保持着创始合伙人的角色，和NASA一起进行“新世界”的下一次搜索。

TESS的领导机构为麻省理工学院，项目负责人为麻省理工学院George Ricker博士。麻省理工学院林肯实验室负责研制相机，包括镜头组件、探测器组件、镜头遮光罩和相机支架。NASA的戈达德航天飞行中心（GSFC）负责项目管理、系统工程、安全和任务保障。轨道-ATK公司负责装配和运行航天器。NASA的“发射服务计划”（Launch Services Program）负责发射管理。

TESS科学中心由麻省理工学院物理系、卡维里天体物理与空间研究所、史密森天体物理天文台和NASA埃姆斯研究中心（AMES）共同合作组成，负责分析科学数据，组织共同研究者、合作者和工作组（来自很多机构的成员）。原始和被处理的数据将存储在空间望远镜研究所的空间望远镜Mikulski档案中。

任务目标

TESS属于“探索者计划”中的“行星猎手”（Planet Hunter）。在首次全星空测量中，TESS将对围绕不同恒星类型、不同轨道距离的行星进行鉴定，搜寻目标包括从地球大小的行星到气态巨行星的各类行星。

TESS将重点观测视星等亮于12星等的G类、K类和M类恒星。在2年的任务时间内，TESS将监视超过20万颗恒星（包含1000颗最近的红矮星）的亮度，搜寻由行星凌日造成的亮度短暂下降。凌日是指系外行星从观测视野方向经过，遮挡部分恒星的光芒，从而造成恒星亮度的短暂下降。TESS预计将登记超过3000个凌日系外行星候选者，包括约300个地球大小和“超级地球”的行星样本，这些行星半径都不超过地球半径的2倍，其中预计约有20个位于恒星宜居带的“超级地球”。TESS将探测小型岩石和冰的行星，这些行星环绕不同的恒星类型并覆盖了大跨度的轨道周期，包括位于恒星宜居带的岩质行星。

与搜寻距离地球数千、数万光年的系外行星的“开普勒”任务相比，TESS望远镜将搜寻太阳系周围各个方向、数百光年以内的系外行星。TESS使用4台相机对南北两个半球的夜空展开搜寻，将会覆盖85%的天域。

TESS搜索到的系外行星候选人可以供众多现在及未来的天文任务进行进一步研究，包括全自治行星搜寻望远镜、HARPS、未来的ESPRESSO和JWST任务。麻省理工学院的研发小组认为，首个星际空间任务的目标将是TESS发现的行星。

TESS的主要目标是寻找凌日系外行星，同时还将通过“客座研究者计划”（GI）进行其他天体物理学目标的观测。近全天巡视的TESS能够用于大量不同类型天体的研究，包括新生的恒星、明亮的双星、临近星系的超新星，以及遥远活动星系中的超大质量黑洞。

系统组成和有效载荷

TESS航天器的发射质量为350kg，尺寸为3.7m×1.2m×1.5m，能源为400W。为了保证任务所需的光度稳定性，TESS航天器采用了轨道-ATK公司的低地轨道星-2（LEOStar-2）平台。航天器的有效载荷主要包括4个宽视野的CCD相机和1个数据处理装置（DHU）。

（1）LEOStar-2平台

LEOStar-2平台是一个灵活的、高性能的航天器平台，适用于空间和地球科学、遥感以及其他应用。LEOStar-2可以容纳各种各样的仪器接口，提供的轨道平均有效载荷功率可达2kW，有效载荷质量可达500kg。性能选项包括冗余、推进能力、高数据速率通信、高度敏捷性/高精度指向。TESS将是NASA第8个使用该平台的航天器，之前的任务包括“太阳辐射与气候实验”（SORCE）、“星系演化探测器”（GALEX）、“中间层大气高空冰探测”（AIM）、“核光谱望远镜阵列”（NuSTAR）和轨道碳观测台-2（OCO-2）等航天器。

传统轨道LEOStar-2航天器平台包括：三轴稳定指向优于3″；双头星敏感器，4飞轮零动量系统；433W单轴连接太阳电池阵列；被动热控制；单元推进剂推进系统；Ka频段科学下行传输数率可达100Mbit/s。

（2）有效载荷

TESS有效载荷包含4个相同的相机和1个数据处理装置。每个相机包括1个由7个光学元件装配而成的透镜、1个由4个CCD组成的检测器，以及其他关联电子设备。所有的4个相机都是安装在1个单层板上。

每个相机参数为：24°×24°的视野，100mm的有效瞳孔直径，由7个光学元件装配而成的透镜，消热差设计，600～1000nm的带通，以及16.8兆像素、低噪声、低功率的麻省理工学院林肯实验室CCID-80检测器。

任务历程

TESS于2018年4月19日06：51搭载猎鹰-9v1.1火箭从佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射升空。07：53，TESS的2副太阳电池翼成功展开。之后的数周，TESS将执行6次发动机机动，经过数个中转轨道后抵达月球附近并执行月球借力转移，最终进入周期为13.7天的科学轨道。在经过约60天的在轨测试后，TESS将开始为期2年的正式观测。

为了获得北半球和南半球的无阻挡视野，TESS的工作轨道为108000km×373000km的大椭圆地球环绕轨道，轨道周期为13.7天。选择该轨道作为工作轨道的原因包括：对于连续光变曲线的观测没有视野阻挡；是一条稳定的2：1月球共振轨道，可以远离月球从而保证轨道稳定性；具有热稳定和低辐射的特点。

TESS的探测将分26个观测部分，每个观测部分为24°×96°，在黄极存在区域重叠，从而增强JWST连续观测区域（CVZ）中更小、更长周期系外行星的观测。卫星将花费2个周期（27天）对每个区域进行观测，以2min的频率观测最明亮的恒星。TESS将在第一年绘制北半球星空，在第二年绘制南半球星空，观测将覆盖85%的天域。每个相机将以1min的节奏对最亮的10万颗恒星进行曝光，全画面的图像将以30min的节奏进行曝光，从而进行其他凌日事件的搜索。

2 任务特点分析

TESS是美国第二架专门用于系外行星探测的空间望远镜，在定位和科学目标等方面与仍然在轨运行的“开普勒”空间望远镜存在很大的不同。相比于专注于探测系外行星进而揭示宇宙科学问题的“开普勒”而言，TESS科学探测目的性较弱，更接近一个向详尽探测系外行星阶段转换的过渡任务，探测目标与后续的JWST任务关系紧密。基于寻找适合进一步探测的系外行星这一目标，TESS选定了巡天观测的模式，并首次采用了2：1月球共振轨道。同时，探测器采用了成熟的对地观测和空间科学平台，有效降低了任务的成本和风险。

任务定位分析

（1）瞄准临近系外行星探测，奠基未来详尽探测任务

系外行星探测作为近年来天文观测的一个热点方向，获得了快速的发展。自1995年科学家确认第一颗主序星的系外行星以来，人类对系外行星的探测热情及探测能力不断提升。从最开始每年发现数颗系外行星发展到目前每年发现数百颗系外行星，系外行星探索历程大致可以分为两个阶段：第一个阶段，以地面探索为主，空间探索开始利用“哈勃空间望远镜”等设施进行试验性探测，这一阶段每年探测数量仅为数颗到数十颗卫星；第二阶段，以“开普勒”空间望远镜的应用为起点，空间探测成为系外行星探测的重要手段，每年探测数量达到数百颗。在“开普勒”空间望远镜发现大量行星的基础上，人类已经完成数千颗系外行星的编目。

目前，大范围的检索以及回答系外行星的存在与大致分布已经基本完成，美国和欧洲已经开始构想系外行星探测的下一个阶段，即详尽探测引人关注的系外行星，了解系外行星的构成与成分，探明其宜居性以及生物存在的可能性。尽管“开普勒”空间望远镜已经发现数千颗系外行星，但由于“开普勒”探测的多数目标距离太阳系较远、恒星亮度较低，在目前观测能力下不适于开展系外行星详尽特性探测。而TESS将重点寻找距离太阳系较近、环绕恒星亮度较高的系外行星，TESS观测的恒星相比“开普勒”观测的恒星明亮30～100倍，更有利于开展进一步的详尽探测，为JWST等未来空间及地面观测任务提供备选观测目标。因此，TESS的任务定位是探测临近太阳系的明亮恒星附近的系外行星，为未来详尽探测以及更远的抵近探测提供合适的目标。

（2）采取近全天的巡视模式，实现临近星系全面探测

地面观测系统无法对全天域进行观测，只有空间探测系统可以实现对全天域的巡视。TESS是首个近全天巡视观测的系外行星探测器，可实现临近星系全面探测。TESS将全面探测地球尺寸行星到气态巨行星的各类系外行星，覆盖各种恒星类型和行星轨道距离。“开普勒”空间望远镜主要观测天鹅座方向数百到数千光年外的系外行星，其寻找到的2600余颗系外行星大多距离地球300～3000光年，而TESS将观测所有方向距离地球30～300光年的系外行星。TESS将整个天域分为26个区域，对每个区域连续观测超过27天，最终利用2年的时间完成近全天域的观测。TESS观测的天域范围是“开普勒”的350倍，约为全天域的85%。

观测方法及轨道分析

（1）探测采用成熟的凌日法，适于进行大范围行星搜索

由于系外行星本身不发光且距离地球遥远，因此对其进行观测非常困难。行星的发射光亮度通常仅为母恒星亮度数的千万分之一至数百亿分之一，其光芒会被母恒星光芒所淹没。同时，距离太阳系最近的比邻星也在1pc（pc为秒差距，1pc=3.2616光年=3.08568×1013km）以外，与比邻星相距1AU的行星在天球上相距比邻星也不超过1″（1/3600°）的张角，并且张角随着行星与地球距离的增大而减小。搜寻系外行星犹如在数千米外寻找灯光下的萤火虫一般困难，并且距离太阳系越远、质量越小的行星，探测难度越大。

直接对系外行星进行成像观测非常困难，需要极高的精度和灵敏度，因此科学家通过观测其不同影响间接对系外行星进行探测，这些间接观测方法包括凌日法、径向速度法、脉冲星计时法、天体测量学以及微引力透镜法等。其中凌日法的原理是观测行星通过母恒星前方时母恒星亮度发生的细微变化，进而探测系外行星。凌日法可以同时观测大范围天域的大量恒星，适合进行系外行星的搜寻，包括“开普勒”在内的大多空间探测系统都采用该方法进行系外行星的搜索，目前已知的3700余颗系外行星中超过78%的行星是通过凌日法搜索得到的。

此外，凌日法观测可以根据恒星亮度变化的程度确定行星的尺寸，并通过凌日发生的周期确定行星轨道的距离。行星尺寸和轨道距离对于行星是否能够支持生命诞生与演化非常重要，探测这两项信息对于认知行星是否宜居非常关键。TESS将首先利用凌日法建立包含数千颗系外行星的目录，鉴于凌日法探测的虚假率较高，由凌日法检测的“待定系外行星”需要通过径向速度法以及进一步的观测进行复查才能确定，TESS任务将组织后续地面观测确定最终的系外行星目录，并协同其他地面望远镜测量行星的质量。利用行星尺寸、轨道距离和行星质量，能够确定行星的构成，从而揭示行星是类似地球的岩质行星还是类似木星的气体行星，亦或是其他行星。JWST等后续地面和空间观测任务还将进一步研究TESS搜寻到的行星的大气。

(2）首次采用月球共振轨道，高度稳定且视野无阻挡

为了在2年时间内实现对全天域系外行星的观测，TESS的轨道需要非常稳定且没有过多的遮挡，同时最大化天空覆盖面积。为此，TESS团队选择了从未被使用过的P/2月球共振轨道，轨道周期为月球轨道周期的1/2，约为13.7天。当航天器在轨道远地点与地月连线呈90°时，该类月球共振轨道上航天器受到地月引力影响几乎为零。因此，该类轨道具备极好的长时间稳定性，航天器所需的轨道维持机动非常少。同时，该类轨道能够提供相当清晰的视野，地面站的可见性也非常好，受到杂散光和辐射的影响很小，非常适于开展全天系外行星搜索任务。此外，航天器在轨道远地点与地月连线并不严格要求呈90°，即便偏离30°仍然可以保持非常高的稳定性，因此任务具有较多的发射机会，在27天的月球轨道周期中有23天可以用于任务发射。

3 结论与启示

系外行星空间探测已成天文观测热点，应尽快规划与实施

系外行星空间探测具有重大的科学意义，能够牵引光学观测等领域和技术的发展，同时还是寻找地外生命和“第二地球”的重要手段，将推动人类迈向星际文明种族，已成为当前发展最为迅速的新兴天文观测领域。美国、欧洲等国家和地区已经相继开展了“对流、旋转与行星凌日”（CoRoT）、“开普勒”、TESS等任务，并在未来规划了JWST、“描绘系外行星卫星”（CHEOPS）、“柏拉图”（PLATO）等任务。此外，系外行星探测具有科学探索性强、民众兴趣高、影响意义大的特点，开展此类任务可以极大提高民众对于航天的关注。目前，系外行星空间探索门槛相对较低，并且全球探测尚处于初始大范围搜索阶段，中国应当把握机遇，尽快开展系外行星探测任务的规划与实施，占据系外行星探测先驱者的一席之地。

TESS将奠基未来详尽特性探测，应注重系外行星特性探测

系外行星空间探测经历10余年的发展，美国和欧洲等已经渡过了开展试验性探测的阶段，目前正在开展大规模的系外行星搜索，而下一步即将开始针对已经探测到的目标进行精细的探测，以了解系外行星的特征和适居性，例如，即将于2020年发射的JWST等。TESS正是基于奠基未来详尽特性探测任务这一目的，将开展近太阳系明亮恒星附近系外行星的搜索，为未来详尽特性探测任务提供备选目标。中国在开展系外行星探测任务时应充分利用可获取的系外行星搜索成果，在欧美已经完成系外行星大范围搜索的基础上，应当直接开展系外行星特性探测任务，避免重复搜索的同时增强科学探测成果的先进性。