北京时间今天早上 6 点 51 分,SpaceX 公司的猎鹰 9 号火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空,将美国宇航局的 TESS 系外行星探测卫星送进太空。

今天“猎鹰 9 号”的发射已经延迟了两天,但发射一切顺利:起飞 8 分钟第一级火箭成功降落在“我当然还爱着你”号(Of Course I Still Love You)驳船上,第一级火箭回收成功。发射第 49 分钟之后 TESS 卫星和火箭成功脱离,进入一个 200 公里高的轨道。

TESS 系外行星探测卫星的艺术图

但这只是 TESS 卫星成功部署的第一步。脱离火箭之后的 26 天内,TESS 卫星发动机将在环绕地球三周,点火三次变轨之后,进入一个名为超级同步转移轨道(super synchronous transfer orbit)的高角度椭圆轨道,近地点 200 公里,远地点高 37.5 万公里,远地点抵达月球附近。

TESS 的 60 天变轨操作

TESS 卫星将在月球附近进行点火变轨,短暂进入月球轨道,但因为速度较快会被月球引力甩出去,完成借助月球引力的重力加速。TESS 卫星将被月球甩进一个总体上环绕地球运行,但轨道周期只有 14 天的轨道。因为周期是月球轨道周期的一半,TESS 卫星在最适宜观测的远地点将最大程度的远离月球的干扰。

整个变轨周期为 60 天,卫星发动机需要点火 11 次,最终进入 P/2 月球谐振轨道,此后无需维护便可稳定工作数十年。

TESS 最终运行的 P/2 月球谐振轨道

TESS 卫星之所以需要如此复杂的变轨和特殊的轨道,取决于它的工作目的:TESS 卫星将在两年内对整个可见宇宙进行扫描,利用掩星法对至少 50 万个恒星系进行扫描,分析这些恒星系是否具有可能适宜人类居住的地外行星。

在 TESS 之前,寻找地外行星的“开普勒计划”从 2009 年开始已经进行到了现在,2009 年发射的“开普勒太空望远镜”利用掩星法累计发现了 2512 颗可以确认的系外行星,以及 5011 颗可能的目标。

开普勒太空望远镜

TESS 的远离和开普勒望远镜类似,都是所谓的“掩星法”:地球之外的恒星距离都很远,在光年这个尺度上,恒星是看不到任何细节的,围绕恒星运转的行星因为恒星的强光就更不可能看到了。但行星在运行到望远镜和所属恒星之间时,恒星的光会被“遮掩”一部分,开普勒和 TESS 都是通过分析行星如何遮掩恒星的光线,包括强度、时间和周期,来分析这个恒星系的情况。

通过这个方法,可以分析遥远的恒星系中,究竟有没有和地球大小类似,轨道距离恒星适中的地外行星。

而 TESS 相对于开普勒太空望远镜最大的不同,就是开普勒只盯着一小块天空看,而 TESS 的目标是整个宇宙。

重一吨,口径 95 厘米的开普勒太空望远镜 2009 年升空,被德尔塔 II 火箭送进了一个尾随地球的日心轨道,简单的说就是跟着地球一起围绕太阳运行,镜头始终指向一个方向。升空以来,开普勒望远镜在天鹅座和天琴座的方向向深空中观测,找到了很多距地球十分遥远,距离几千光年的潜在宜居行星。

TESS 将花两年扫描整个天空

而 TESS 的体积比开普勒小得多,任务也更务实一些。TESS 卫星重量只有 362 公斤,安装了四台口径 10 厘米的小望远镜。10 厘米口径基本上与很多爱好者使用的天文望远镜差不多大,TESS 这么设计的原因,是因为它的观测目标是距离地球较近、或者特别亮的恒星,不需要太大的口径。

TESS 卫星的四台望远镜将一同工作,每 2 秒拍摄一张照片,随着在轨道上的运转,将用 1 年时间完成对南半球天空的扫描,一年后调整方向完成对北半球天空的扫描。TESS 卫星的研究面积将是开普勒望远镜的 400 倍。

按照计划,TESS 卫星将扫描整个天球上 50 万个恒星系,对 1000 颗最近的红矮星进行重点观测,预计将发现 2 万颗系外行星,其中预计会有 500 到 1000 颗和地球类似的行星。而大部分重点目标在距离地球 30 到 300 光年之间。

2009 年到现在,开普勒计划发现了一大堆被称为“第二地球”、“超级地球”等等的系外行星。在艺术家的描绘下,这些本来根本看不到的新世界有了艺术图,它们似乎近在眼前。实际上,因为开普勒望远镜的观测方向固定,它发现的宜居行星大部分都非常远。

开普勒 442B 的艺术图,右侧是地球。

实际上现有的技术是看不到这些系外行星长什么样子的。

比如 2015 年发现的开普勒 442B,这颗推测尺寸比地球更大,可能具有液态水的新世界距离地球 1120 光年。当它的恒星发出的光被我们看到时,这束光离开它已经 1120 年了,那时候中国还是唐朝。

按照宇宙规律、概率和过去的经验,TESS 卫星在未来两年内将会发现更多这样的世界。也许在可见的人类未来里,相对论速度的宇宙航行永远都不会实现,以人类现有的技术,几十光年的新世界意味着需要航行上千年,几百光年意味着航行上万年,这些遥远的距离实际上都没有实际意义。

但 TESS 项目成本只有不到 4 亿美元,花这些钱就可以知道人类也许还有几百上千个新世界可以去,听起来也是一件很浪漫的事。

题图/SpaceX

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