編譯：艾麥樂
經過了一次推遲之後，北京時間4月19日早晨6:51，一枚獵鷹9號火箭將從美國佛羅里達的卡納維拉爾角發射升空。火箭頂部的整流罩內裝的是TESS，NASA專門用於搜尋太陽系外行星的下一代空間天文臺。
TESS的全稱是凌星系外行星巡天望遠鏡，設計目標是用它來掃描天空，搜尋鄰近恆星周圍與地球相似的行星。
那麼，到底TESS是什麼，又將如何完成它的目標呢？
搜尋離太陽系最近的岩石行星
第一顆繞著其他恆星旋轉的行星，是在1992年被確認發現的。它所環繞的恆星，是一顆脈衝星，是恆星的殘骸，不能算是一顆普通的恆星。又過了3年，第一顆繞著普通恆星旋轉的行星被天文學家發現，更多的系外行星才陸續浮出水面。沒過多久，天文學家就發現，一些系外行星的軌道平面恰好側對著地球，讓它們能夠從各自恆星的正前方經過。發生這種情況時，系外行星便會遮擋一點點星光，而在我們的眼中，這顆恆星就會稍稍變暗一些。這種變暗的幅度通常很小，但如果遇到到大個子行星和小個子恆星，這種所謂的凌星現象就能產生超過1%的亮度下降，用現代觀測設備很容易檢測出來。
2009年，NASA發射了開普勒望遠鏡，來尋找更多的凌星系外行星。開普勒望遠鏡只指向一小塊天空（位於天鵝座中），盯著大約15萬顆恆星，監測它們的亮度。它已經發現了超過2300顆得到確認的行星，還有差不多同樣數量的備選行星
（即疑似是行星，仍需後續觀測來證實它們確實存在）。儘管後來，開普勒望遠鏡遇到了一些機械故障，無法保持原來的指向，但工程師設法挽救了這項任務。如今，它仍在堅持工作，只是功能上受到限制，必須定期改變指向。稱為K2的這項拓展任務，也已經發現了超過300顆系外行星。開普勒望遠鏡的設計目的，就是要深入到銀河系深處，它對闇弱恆星更加靈敏，這是為了儘可能多地發現系外行星。開普勒任務是為了回答這樣一個問題：“宇宙中有多少系外行星，又可以分成哪幾種類別？”
而TESS將要回答的，是另一個同等重要的問題：“離我們最近的岩石行星在哪裡？”
為了做到這一點，它將巡視整個天空的85%（比開普勒望遠鏡的視場大將近400倍），觀察大約20萬顆最明亮的恆星，監測它們的亮度，搜尋凌星的跡象。這些恆星大都離地球不遠（都在大約300光年以內），所以TESS將找到銀河系中離我們最近的一些系外行星。在總數上，TESS將發現大量的行星，而據估計，其中直徑小於4倍地球的行星，它應該能夠找到大約50顆。
這樣的行星稱為超級地球，在這樣的大小範圍內，行星仍有可能主要由岩石構成，並且擁有一個大氣層。比這更大的行星，在形成過程中往往會迅速增長，成為所謂的“迷你海王星”——它們比海王星小一些，卻很可能擁有較為濃厚的大氣層。所以，想要找到跟我們類似的行星，4倍地球直徑以下才是最佳的搜尋範圍。
方便後續觀測確定行星細節
TESS的美妙之處在於，因為它觀測的都是比較明亮的恆星，所以它發現的任何行星，利用地面設備都很容易進行後續觀測。這一點很關鍵，意味著我們可以用光譜儀對準它們，將星光拆分成不同的顏色。如果測量得足夠精細，我們就能得到有關這些行星的大量信息。最重要的一點是，
我們能稱量出這些行星的質量。行星繞著恆星運轉時，它的引力也會拖拽恆星。行星會沿著一個大圓（或者橢圓）繞恆星旋轉，作為回應，恆星也會小幅度擺動。我們無法直接看到這樣的擺動，但隨著恆星的擺動，有時候它會靠近我們，有時候又會遠離我們，這意味著我們可以從它的光譜中尋找多普勒頻移。行星質量越大，它對恆星的拖拽就越強，恆星便會擺動得越快。所以，通過觀測恆星的光譜，我們能夠稱量行星的質量。
而凌星能夠告訴我們行星有多大，因為星光被遮擋掉多少完全取決於行星的個頭。知道了質量和大小，我們就能得到行星的密度。而這，正是我們的目的所在。
與地球這樣只有稀薄大氣層的岩石行星相比，有著濃厚大氣層的行星密度會稍低一些。如果能夠測定密度，我們就可以著手來了解這顆行星了。
此外，在某些情況下，行星的大氣層也是可以被測定的。光譜分析將揭示大氣層的化學構成。所以，找到鄰近的太陽系外行星，確實非常非常重要。
這正是TESS要做的事情。
前所未有的古怪軌道
TESS的軌道不得不提，因為它實在太過古怪。
它既不像大多數人造衛星那樣在低地球軌道運行，也不像開普勒望遠鏡那樣環繞太陽運行，而是沿著一條長橢圓軌道繞地球運轉，到地球的距離介於11萬千米到37.5萬千米之間。這條軌道還會翹起一個37°的傾角。
為什麼要給它安排這麼一條古怪的軌道呢？
因為這是一條特殊的軌道。它跟月亮有著某種恰到好處的同步，每當TESS抵達遠地點，也就是運行到離地球最遠的那一點時，月球總是會出現在跟TESS呈90°直角的位置上。不僅如此，TESS繞地球運轉一整圈所用的時間剛好是月球的一半，如此一來，當TESS抵達遠地點時，月亮會出現在它的一側，而再過大約13.6天，TESS再次抵達遠地點時，月亮會出現在它的另外一側。通過這種方式，月球引力的影響就會在一個月內相互抵消，使得TESS的軌道能夠保持穩定。
長橢圓軌道還有其他好處。它讓TESS遠離地球的磁場，而磁場會影響航天器的運行。它還讓TESS永遠處在陽光照耀之中，以免受到熱脹冷縮的影響。在低地球軌道上，人造衛星每天都會經歷好幾次日出和日落，巨大的溫差會縮短人造衛星的使用年限。
為了抵達這樣一條奇怪的軌道，TESS將由獵鷹9號火箭發射升空，先抵達一條低地地球軌道，再通過二級火箭的再次點火，將軌道的遠地點推高到27萬千米左右。接下來，TESS將與火箭分離，用自身攜帶的推進器完成多次軌道抬升，直到它有機會從足夠近的地方飛掠月球。月球的引力將改變軌道的形狀和傾角，把TESS甩到最終的任務軌道上去。在那之後，TESS還要再經過2個月的試運行，以確保所有設備都運轉正常。
TESS將在一條特殊軌道上執行觀測任務。為了進入這條軌道，它還必須藉助月球引力的幫助。
接下來，行星搜尋將正式開始。
我發現，還從來沒有哪個航天器被髮射到這樣一條軌道上。事實上，就連這條軌道的概念，也是2013年才首次有人提出。數學計算證明這是可行的，如果這次任務成功演示了一點，估計未來會有更多的航天器使用這條軌道。
由於必須藉助月球的引力，TESS的發射窗口非常狹窄，每次只有30秒時間。地球的自轉加上月球的位置都必須恰到好處才行。
所以，你有沒有收看發射直播呢？畢竟，能夠把地球、月亮、成千上萬顆鄰近恆星，以及可能存在的一大批類地行星全都牽扯在內的探測任務，可沒有那麼常見！
Bad Astronomy, EVERYTHING YOU NEED TO KNOW ABOUT TESS, NASA'S NEW PLANET-FINDING SPACE OBSERVATORY
歡迎個人轉發到朋友圈
譯文來自果殼網
從論文到科普，只有一步
閱讀更多 果殼科學人 的文章
