文／ 科妮科尔·科隆

　　译／王雪凇

　　TESS空间望远镜正聚焦于那些距离地球最近的小质量恒星及其周围的行星系统，并以此拓展我们对于系外行星的认知。

　　在过去的几十年里，系外行星研究发生了革命性的变化。三十年前，我们只知道太阳系外有少数几颗系外行星。今天，我们已经知道了超过5000个这样的遥远世界的存在，其中一些与地球大小相似，一些绕着与太阳类似的恒星运行。在这场系外行星革命中，一个重要的参与者是美国航天局（National Aeronautics andSpace Administration，NASA）的开普勒空间望远镜，它已于2018年退役。迄今为止发现的所有系外行星中，有超过50%是通过搜索开普勒数据来寻找凌星信号而发现的。

　　但我们寻找系外行星的脚步还远没有停止。NASA的凌星系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）于2018年发射，它迅速从开普勒望远镜手中接过了接力棒，继续利用凌星法寻找系外行星。TESS卫星的任务是对全天进行搜寻，力图找到距离我们最近的那些系外行星。

　　开普勒望远镜的一个主要科学目标是测定系外行星在我们的银河系中有多常见。开普勒望远镜对准天空中一片固定的区域进行了几年不间断的连续观测，通过凌星法寻找系外行星，即由于行星在我们视线方向上恰好从恒星前经过，从而导致恒星亮度会周期性的减弱。开普勒在其巡天进行初期（2009年至2013年）收集的精美数据向我们展示了系外行星在银河系中是普遍存在的。我们现在可以自信地说，银河系中的行星数量超过了恒星数量，因此平均而言，银河系中的每一颗恒星都至少拥有一颗行星。当然，这并不意味着每一颗恒星实际上都拥有一颗行星。相反，有些恒星没有行星，有些恒星拥有多颗行星。

　　然而，系外行星的观测和研究不仅仅是数一数有多少颗行星。我们想知道系外行星是由什么构成的，它们的大气层是什么样的。要找出这些，我们需要仔细观测这些世界。但是开普勒望远镜观测的行星系统主要绕着暗淡、遥远的恒星运行——这些恒星不适合进行详细的研究。

　　这就是TESS的用武之地。TESS是唯一能够对整个天空进行观测，进而发现银河系中许多最近、最易接近的系外行星的空间望远镜。因为TESS发现的系外行星主要围绕着相对小质量、明亮、且邻近的恒星，天文学家可以轻松地使用其他观测设备进行后随观测，确定系外行星的质量和大气层的成分。我们正通过TESS的发现，在探索系外行星的构成，以及寻找类似地球的系外行星的旅程中不断向前迈进。

　　TESS背后的故事

　　虽然TESS和开普勒望远镜都使用凌星法寻找系外行星，但它们在一些关键方面有所不同。开普勒望远镜口径0.95米，视场宽约12°（月亮的直径大概是0.5°），它能够探测到由地球大小的行星从暗淡、遥远、类似太阳的恒星前方经过引起的微小亮度变化。在其主巡天项目阶段，开普勒对天空的一个区域进行了大约四年的不间断观测。在此之后的另外四年半时间里，它开展了第二阶段的巡天，被称为“K2”，在此期间，开普勒对黄道平面上的一系列天区进行了集中观测。

　　与开普勒望远镜不同，TESS有四个CCD相机，每个相机的孔径为10.5厘米，它们共同覆盖了天空上宽24°、长96°的区域——比开普勒的视场大20多倍。TESS每隔27天左右就在天空上移动一次，因此每两年即可覆盖几乎全天。依托这些技术指标，TESS能够探测到在较亮的近邻类太阳或更小的恒星周围绕转的、大小接近地球的类地行星产生的凌星信号。

　　虽然相比于开普勒望远镜的大镜子，TESS的相机孔径相对较小，但它非常高效。它已观测了数百万颗恒星，来搜寻我们希望找到的近邻凌星类地行星。TESS更关注相对较小的行星和近邻的相对较亮的较小质量恒星，这有几以下个原因：

　　首先，这样的行星和恒星是非常常见的。小于4个地球半径的行星是我们银河系中最常见的行星类型。红矮星——通常最多只有太阳大小和温度的60%——也同样是数量最多的。我们太阳周围的最近邻恒星大多数都是红矮星（也被称为M型矮星）。

　　其次，用凌星法探测和研究小质量恒星周围的较小行星，通常比探测大恒星周围的较小行星更容易，因为天文学家测量的是行星（及其大气层）相对于恒星大小的比例。相应地，在类似太阳的恒星周围探测到一颗较小行星比在红矮星周围探测到一颗较小行星更困难。

　　虽然开普勒望远镜为我们提供了大量的较小行星样本，但开普勒最关注的是类似太阳的恒星，而且其观测样本大部分都离地球很远。通常距离我们200光年以内的行星系统最适合进一步跟踪观测，然而开普勒望远镜发现的行星系统中只有不到1%离我们不到200光年。

　　更靠近家园的小号系外行星

　　TESS使得我们得以着重搜寻那些距离我们的家园太阳系最近的行星系统。到目前为止，TESS已经发现并确证了285颗系外行星，还有超过4000颗待确认的系外行星候选体（见前一个对开页右页的提示框）。TESS迄今为止的发现大致符合我们在发射前的预期。TESS望远镜及其巡天项目的核心任务目标是发现50颗半径小于地球4倍的较小行星，并且这些行星系统适合用地面望远镜和设备观测并测量其质量。现在，TESS已经远远超过了这个目标，它发现了174颗较小行星，其中116颗已经获得了后续质量测量。

　　我们之所以能够对于这么多TESS发现的系外行星进行质量测量，是因为这些行星在相对明亮的恒星周围绕转。在这些恒星的光线中，我们可以更容易地探测到由行星对恒星的引力牵引所引起的微小运动。在目前TESS发现的所有系外行星中，超过70%围绕着可见星等亮于12等的恒星。而在开普勒望远镜的发现中，只有8%绕转在这样明亮的恒星周围。TESS行星系统也相对离我们的太阳系更近，其中有40%跟我们的距离只有不到200光年。而且超过20%的TESS系外行星绕着红矮星运行，相比之下，这样的行星只占开普勒发现的几个百分点。

　　TESS发现的第一颗行星，山案座πc（PiMensae c），绕着一颗非常明亮恒星运行，山案座π是一颗肉眼可见的恒星——当然，这需要观测者视力较好，且处在一个远离城市灯光污染的非常暗的地方。虽然你可以在一个晴朗的夜晚用自己的眼睛看到山案座π这颗恒星，但你不可能用肉眼看到绕转它的行星，因为它的大小只有地球的两倍左右，而且它离它的恒星非常近，周期只有6天多一点。在TESS观测这个系统之前，天文学家已经发现了其中的另一颗行星，一颗在更长轨道上运行的气态巨行星。

　　山案座πc的发现仿佛打开了TESS即将来临的科学成果的闸门，随之而来的新发现仿佛洪水一般大量的涌现。在这些TESS新发现中，主要是一些较小行星，它们的大小只有地球的几倍，其中约50%属于“超级地球”或“迷你海王星”类别——这个比例大致与以前的系外行星发现比例相似，但这样的行星我们太阳系中并不存在。当超级地球的大小在1.8倍地球左右以及更小一些的时候，我们就不能断定它们的表面是否一定是类似地球的岩石形态；相反，它们可能有各种各样的成分。其中一种预期的成分是水世界，例如天文学家对于TOI-1452b的推测。这颗行星大约比地球大70%，质量大约是地球的五倍。根据它的大小和质量，天文学家可以计算出行星的密度，并推测它可能有一个非常深的海洋。

　　TESS在寻找可能宜居的地球大小（甚至更小！）的岩质行星方面也取得了巨大的进展，迄今已发现了11颗这样的行星，其中包括HD21749c和L 98-59b。这两颗行星比地球温暖得多，因此对于我们所知的生命来说并不宜居。然而，TESS发现了一些与其恒星距离适当的行星，倘若具备符合条件的大气层，这些行星的表面温度可能与地球相似，并且能够在其地表拥有液态水。TOI-700 d就是这样的一个典型例子，它是TESS发现的一颗位于其恒星宜居带内的系外行星，且该行星仅比地球大20%，因此也有可能具有岩石表面。

　　话虽如此，即使像TOI-700 d这样的大小和温度与地球一样行星，我们也无法断定它是否完全和地球一样。它们之间的一个关键区别是TOI-700 d绕着一颗红矮星运行——TOI-700大约是太阳大小的40%，温度大约是太阳的一半。事实上，这颗行星周期很短，每37天就绕着这颗凉爽的恒星运行一周，但它仍然有着类似于地球的温度，正是因为TOI-700这颗恒星比太阳的温度低得多。由于红矮星的磁场通常也比太阳更活跃，像TOI-700 d这样在相对短的轨道上运行的行星，在其一生中会遭受更高水平的辐射。这种辐射肯定会以我们暂未深入理解的方式影响生命的形成和演化。

　　寻找可能适宜生命存在的宜居行星当然是个令人兴奋的话题，但TESS的既定目标中并未包含搜寻这些与地球极其相似的行星，因此上述发现显然是意外收获。无论是否有这样的发现，TESS也已经取得了丰富的成果，它发现了许多围绕着小质量近邻亮星运行的较小行星。

　　揭示系外行星的新秘密

　　TESS不仅超越了它最初的任务目标，还做出了一些意想不到的发现。开普勒望远镜的发现让我们知道，银河系中最典型的系外行星大约是地球大小的2到3倍，TESS也证实了这一规律同样适用于围绕着更冷、更小质量的恒星运行的行星。然而，TESS带给我们了一个惊喜：它发现了比我们预期更多的在紧密轨道上运行的这一类较小行星。在这个靠近恒星的区域，一个行星只需要几天就能绕着它的恒星转一圈。开普勒望远镜的观测让我们发现，在这些靠近恒星的轨道上，海王星大小或稍小一些的行星是非常罕见的，因此这被称为“热海王星”沙漠。

　　另一个惊喜是，TESS发现了比预期更多的巨行星。巨行星只占开普勒发现的4%。然而，大约27%的TESS发现是大约木星大小或更大的行星。巨行星很常见，以至于天文学家在开普勒发射运行之前就用地面望远镜巡天发现了它们，所以TESS这个全天巡天项目能够发现除了较小行星之外的额外巨行星并不十分令人惊讶。其实真正令人惊讶的部分是，地面望远镜没有在此前的全天巡天观测中发现所有围绕着明亮恒星运行的巨型行星，以至于TESS找到了许多额外的巨行星。值得注意的是，TESS发现了一类围绕着小质量恒星运行的巨行星（比如TOI-1899b）。我们认为这样的组合很稀有，因为形成一个小质量恒星的原初星云很难有足够的材料来再制造一个质量较大的巨行星。

　　这些发现进一步证明了我们的太阳系似乎有着罕见的行星系统结构。通过其他正在进行中的对类似太阳的恒星的系外行星搜寻，我们将更深入地了解我们的太阳系究竟有多独特。

　　显然，通过对整个天空进行搜索，观测数百万颗各种不同类型的恒星（从红矮星到类似太阳的恒星再到年老恒星），TESS证明了它能够发现各种各样的行星系统。一个关键的例子是它发现了一颗白矮星周围的木星大小的行星WD1856+534b。这是已知的第一颗绕着恒星演化后期“残骸“（如白矮星）运行的传统意义上的系外行星，而不是行星碎片或者小行星。当一个类似太阳的恒星演化到红巨星阶段并脱去其外层时，它周围的行星世界通常会被摧毁，最终在中间剩下一个致密的白矮星。发现一颗显然幸存下来的完整的系外行星，需要我们重新审视我们所知道的行星系统的生与死。

　　(《中国国家天文》2023年7期　期刊架位号　[1258])