开普勒的宇宙是什么样的（再见开普勒你好苔丝）

出品：科普中国

作者：黑洞来客团队苟利军黄月

监制：中国科学院计算机网络信息中心

美国东部时间18日18时51分（北京时间19日6时51分），佛罗里达州卡纳维拉尔角，多次延迟发射的系外行星探测卫星TESS（苔丝）终于从这个世界上最知名的发射基地升空。它将被SpaceX Falcon 9火箭送至距离地球200公里的月球转移轨道上，开始漫长而复杂的入轨进程。

图1： 准备发射的TESS卫星 (图片来源：nasaspaceflight.com)

图2：TESS卫星发射图

在TESS之前，另一颗已在天上工作了9年之久的系外行星探测卫星也是在这里被送上天的——以16世纪德国天文学家开普勒（Kepler）命名的望远镜——这一次，TESS要去接班了。

在开普勒望远镜工作的这些年中，因寻找系外行星收获颇丰，它被人们冠以了“行星猎手”的美称。不过，根据NASA科学家此前的最新估计，开普勒望远镜因燃料用尽将在几个月后停止运行。如果一切顺利的话，经历11次自身加速变轨和1次月球的弹弓效应，TESS最终将在约60天后进入它独一无二的复杂轨道内，接棒开普勒，继续开展系外行星的观测。新任“行星探测官”TESS作为巡天卫星，大大拓展了开普勒之前的视线所及之处，这不仅将为人类更细致地研究系外行星创造条件，还将给2020年发射的韦伯太空望远镜备好一席丰盛的“大餐”。

图3：凌星法演示图 (图片来源：NASA)

这种“从阴影中发现光明”的探测方法，不仅易于判断行星的存在，而且便于科学家们推断行星存在的个数。每一个行星都在恒星亮度演化图上留下了一个因遮挡导致的小坑，所以只要能够推断出坑的个数，科学家就能够得知恒星周围行星的数目了。

让我们想想看，相较于恒星本身，行星通常要小得多，而且远在数光年之外，我们能观察到的因行星遮挡产生的亮度变化应该很小。即便是按照目前对巨行星的估计来看，其遮挡也只会导致中心恒星亮度百分之一的降低。但是，开普勒与TESS都使用了凌星法来探测系外行星，原因在于，太空中望远镜性能通常非常稳定，没有大气干扰，它们能够很容易测量到如此微小、甚至更小的变化。

科学家们还有着诸如视向速度法、直接观测法和微引力透镜法等其它一些探测方式，但都相对比较复杂、难以实现和观测。所以，凌星法也是目前使用最为广泛的一种探测方式。

二、巡视全天：四只小眼睛扫描大世界

除此之外，“巡天”也标志着新卫星TESS和其他之前的项目在寻找系外行星工作模式上的差别，这一点也是它与前任开普勒之间的最显著不同。

自2009年3月发射，直至2013年5月，开普勒望远镜一直指向天琴座和天鹅座的一块狭小区域（1%的天区），从不指向其它方向。开普勒望远镜希望通过对这一区域内大约15万颗、距离在1000-3000光年的恒星进行持续不断的观测，从而观测到微小的亮度变化，以此发现新的行星。（2013年5月之后，因反作用轮发生故障，望远镜无法精确唯一地指向一个方向，从而将工作模式变成了扫描模式。）

志在“巡天”的TESS卫星则完全不同，它并不指向一个特定区域，而是对整个天空进行巡视，希望找到那些距离我们地球300光年之内而并且很亮的恒星周围的行星。我们知道，南北半球加起来，我们的肉眼只能看到大约8000颗恒星，然而TESS的“机器眼”可以探测到至少20万颗恒星，是人类肉眼可见的25倍之多！

图4：TESS卫星效果图(图片来源：NASA)

图5：:开普勒卫星效果图 (图片来源：NASA)

所以，TESS的结构构造也和开普勒迥异。TESS由四个完全一样的望远镜构成，相当于四个望远镜同时扫描，可以缩短全天扫描时间——这对于想要用两年时间观测完整个天空的TESS来说非常必要。同时，因为TESS只对地球附近的、或很亮的恒星进行观测，所以不需要很大的口径，它的每一个望远镜口径只有10厘米，和大多数业余望远镜的口径差不多，而开普勒仅由一个口径95厘米的望远镜构成。

为了实现各自的观测目的，TESS卫星的轨道和开普勒也完全不同。苔丝与开普勒之间这个比喻意义上的“接棒”，并不意味着它们能够当面交接工作。对于开普勒卫星而言，因为它指向天空的某个特定方向，所以采用了尾随地球（earth-trailing）、绕太阳转动的方式，周期达372.57天。TESS是对整个天空进行观测，所以最终它是绕地球旋转的，绕转周期为13.7天；它首先将用一年时间扫描南天球，接下来的一年将对北天球进行扫描。

图6：TESS卫星的扫描安排图。A图是代表了望远镜的视场大小。B图代表了每27天在天球上的扫描区域。C图代表了不同累计观测时间在天球上的扫描区域。(图片来源：NASA)

为了让TESS卫星在保持轨道稳定的同时尽可能远离地球，从而保证卫星在没有遮挡的情况下，有足够多的时间对每个设定的天区进行观测，科学家们为TESS卫星设计了一个独一无二的轨道——一个近地点为17个地球半径、远地点为59个地球半径的高度椭圆轨道。

这个轨道的特殊之处在于，它能够在月球和地球的引力之下保持相对稳定，并且和月球轨道形成一个1：2的共振关系（简称为P/2）。这便意味着TESS卫星的轨道周期只有月球周期的一半（即13.7天）。在这一轨道上，每当卫星处于远地点时，月球就会处于卫星之前或之后90度的地方，从而最大程度低降低月球造成的遮挡和不稳定性。

为了把TESS送入这个特殊轨道，火箭和卫星也费了一番周折。在火箭升空大约2分半的时间内，一级火箭和二级火箭分离，一级火箭被回收。二级火箭在分离之时点火，经历滑行和再点火的阶段，在发射约50分钟后抵达超级同步转移轨道（super synchronous transfer orbit，200 x 270，000公里），此时的高度大约为距离地面200公里。火箭和卫星自此告别，火箭进行第三次点火，进入逃离地球的轨道，成了一个游荡在深空中的人造天体。而卫星本身也在此点火变轨，总共经过11次点火变轨和1次月球引力弹弓加速，历经大约60天之后，最终抵达预定轨道。其实，在TESS卫星发射一周之后，科学设备在变轨过程中就将被启动并开始测试，这样一来，TESS一旦抵达轨道就可以开始科学观测了。

图7：卫星分离后，经历60天，11次加速变轨和1次月球引力弹弓加速，最终到达预定轨道 (图片来源：spaceflight101.com)

图8：空间轨道示意图，P/2为预定轨道（青色;图片来源：NASA）

三、苔丝接棒：开普勒故障提供契机

TESS卫星项目的想法开始于2006年，当时得到了谷歌种子基金、Kavli基金会和MIT的私人资助。最初本想以私人基金发射此卫星，不过因耗资巨大，MIT建议从NASA申请支持，并在2008年提交了申请。当时，因开普勒卫星即将发射，TESS在首轮竞争中败下阵来。最终在2013年的第二轮角逐中被NASA选中，成为了政府支持项目。在某种程度上，这一轮里TESS的部分好运气来自开普勒的坏运气——原本一直表现出色的开普勒卫星，在2012年突然出现了反作用轮（reaction wheel）失效的故障。

在发射后的首个计划运行时间内，开普勒望远镜一直运行正常并且表现出色，发现了众多系外行星。所以在2012年初，项目被延期资助到了2016年。然而，延期后不久，当年7月14日，开普勒卫星上四个反作用轮之一出现了问题——反作用轮可以通过施加一定力矩从而改变望远镜的指向，对空间望远镜来说非常重要——通常来说，三个正常工作的反作用轮就可以将望远镜指向任何一个方向，所以开普勒的指向控制并没有受到影响。但是，其他反作用轮坏掉的可能性大大增加了，这为开普勒卫星的未来蒙上了一丝阴影。

与此同时，NASA在2011年征集了新的可能的小型空间卫星项目，从提交的42个申请中筛选了11个作为培育项目，其中就包括TESS项目。在2013年最终决定之时，部分考虑到开普勒卫星可能的不幸结果，NASA选中了TESS。

不幸的是，人们对于“老将”开普勒的担心，很快发生了。第一个反作用轮出故障不满一年，2013年5月11日，第二个反作用轮也坏掉了，此时开普勒卫星已很难再精确保持固有的指向。要想保持指向，就要对反作用轮进行维修。

参考哈勃望远镜的先例，类似的指向设备故障进行维修，花费实在不菲（哈勃的五次维修总共花费了55亿美元，平均每次11亿美元，而开普勒卫星的总费用只有5.5亿美元，TESS卫星的花费约为3.4亿美元）。经历了一番权衡，考虑到新的系外行星探测卫星已在研制当中，NASA最终于2013年8月对外宣布：不再对开普勒卫星进行维修。开普勒卫星团队也相应地提出了利用现有设备条件进行扫描观测的方式，虽不及之前那么高效，但依旧可以发现扫描路径上的一些系外行星，这便是目前被称为“K2计划”的开普勒生命的第二个阶段。

四、开启新阶段：弥补前任不足，数据完全开放

在开普勒卫星发射之前，从1995年到2009年，人类才刚刚开始发现系外行星，还在为了追寻更多的系外行星而努力。在2009-2018年间，开普勒卫星发现了数以千计的系外行星，让我们意识到了系外行星非常普遍。眼下，TESS项目将开启行星研究的第三个阶段了。

不过，开普勒卫星所发现的行星都比较远——我们所熟知的地球大表哥Kepler452B，距离地球1400光年；德克萨斯大学科学家发现的“第二个太阳系”，距离我们2200光年——我们很难对它们的性质做出具体的分析和详尽的研究。TESS即将发现的行星因为距离地球更近，可以弥补开普勒卫星发现上的不足，从而为科学家进一步深入研究这些行星的大气组成等提供众多的便利条件，它发现的这些行星无疑也会成为2020年发射的詹姆斯韦伯望远镜（JWST）观测对象的上佳候选体。

截至2018年4月16日，3758颗系外行星已经被确认。在这当中，我们只发现了数目极少的地球大小的行星。可以想见的是，如果TESS测试成功且工作正常，或许，我们很快将发现更多与地球大小相类似的行星，从而揭开生命寻找的新篇章。

最后，更加让人兴奋和期待的一点是，TESS卫星的数据没有数据保护期！这也就意味着，一旦开始观测，不仅仅是团队成员，团队之外的任何人都可以及时地看到卫星发回来的数据。按照TESS团队的说法，这样做的目的是为了鼓励更多人参与到寻找系外行星的活动中来，“发挥众人的才智，做出更好的科学”。