北京时间2018年4月17日晚，美国太空探索技术公司(SpaceX) 的一架猎鹰9号运载火箭顺利升空，此次发射任务是SpaceX首次搭载空间望远镜，但吸引公众视线的却是此次任务的“乘客”，被NASA寄予厚望的行星猎手——凌日系外行星勘测卫星 (Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS)。

　　在游戏《亿万僵尸》中有这样一个建筑单元——深渊窥探者。当玩家部署深渊窥探者后可以消除地图上的所有战争迷雾，方便观察地图各处的情况。TESS可以称得上是系外行星探测领域的深渊窥探者。在TESS的帮助下，隐藏在300光年范围内的太空奥秘大多无所遁形。TESS展开的巡天调查，为数千颗候选行星编纂目录，也为研究人员提供了上千个新的研究目标。

TESS宣传海报

 

　　一次突发奇想

　　TESS的任务构想源自NASA 2000年发射升空的一颗小型卫星——高能瞬态事件探测者 2 号（The High Energy Transient Explorer 2, HETE-2），其任务是发现和定位高能伽马射线和X射线暴发现象。在HETE-2执行任务期间，任务团队突发奇想，是否可以用HETE-2来寻找系外行星。

　　纵观科学史，很多伟大的成就和科研发现均源于一次一闪而逝的“异想天开”。正如德国化学家凯库勒被梦中首尾相衔的蛇所启发而最终设想出了苯的六角形环状结构；苏联弗奥多洛夫博士为病人做清除眼球异物的手术时意外治好了病人的近视眼，从而发明改变角膜曲度来治疗近视眼的新方法。

　　虽然HETE-2 的凌星探测尝试没有完全达到预期的效果，但这次尝试却直接推动的TESS任务的立项，更是为后续的 CCD 成像系外行星探测任务奠定了基础。

1995年第一颗系外行星发现至今，凌星法每年发现的系外行星数量分布

　　当此之时，系外行星探测还不似如今这般成为天文领域的“当红巨星”。而凌星法不能说硕果累累，也算得上是几无建树。当时已经发现的200多颗系外行星中仅有不足十颗是使用凌星法发现的。但不到20年后的今天，仅凌星法就发现多达3846颗系外行星，贡献了系外行星档案馆中超过76%的“馆藏”，极大丰富了研究系外行星的“素材库”，为天文学家提供了有关系外行星在银河系中分布的宝贵信息。

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　　凌星

　　凌星并不是一个陌生的概念，相反，大多数人都听说过甚至亲身见过这一现象。日食这一天文现象便是凌星原理的直观体现。当一颗行星从其恒星和观察者之间经过时，行星的遮挡会导致观察者观测到的恒星的亮度变暗。只不过在用凌星法寻找系外行星时，系外行星对其恒星亮度的影响不如日食现象这般直观和明显。

金星凌日示意图

　　当我们观测遥远的恒星时，系外行星对其主星亮度只能起到微小的影响，但在足够精度的探测器的帮助下，我们仍然可以获得恒星亮度变化的数据，通过研究分析恒星亮度的具体变化情况，我们可以确定围绕该恒星运转的行星的尺寸、与恒星的距离、数量，甚至是有关行星大气成分和温度的信息。

具有一颗行星的恒星系统及其恒星亮度变化

　　更大的行星会阻挡更多的光，因此它们会产生更深的光曲线。行星距离越远，绕行并从恒星前方经过的时间就越长。因此，凌日事件持续的时间越长，那颗行星离它的恒星就越远。当多颗行星经过一颗恒星时，光变曲线变得复杂。组合的光变曲线可以为我们提供与单个光变曲线相同的信息，只是天文学家需要更多的工作来挑选数据中的每个行星。

具有三颗行星的恒星系统及其恒星亮度变化

　　此外，寻找有关系外行星大气成分和温度的信息也并没有大家想象的那么难。刚才为大家介绍的都是研究恒星的亮度。如果我们更改观察问题的角度，那么很多问题会迎刃而解。

　　当一颗系外行星从其恒星前面经过时，一些星光会穿过行星的大气层。对这些星光进行光谱分析，就可以获得关于行星大气成分的线索。例如研究星光中的吸收线和发射线等信息，我们可以确定系外行星中是否存在二氧化碳、甲烷，甚至是水蒸气等各种物质。这对于我们寻找适宜生命存在的行星具有巨大帮助。

 

　　巡天

　　TESS 最初设计运行在近地轨道，跟 HETE-2 任务类似。这种轨道设计有助于借助 HETE-2 任务的数据接收地面站以提高观测效率。然而近地轨道的地球磁场太强，这会导致卫星出现显著的抖动，对 TESS 的高灵敏度相机造成不可接受的干扰。

TESS示意图

　　项目团队因此开始重新设计一种被称为“月球共振”（lunar-resonant）的极高椭圆形轨道，轨道周期为13.7天，时间正好是月球绕地周期的一半。如下图所示，发射后，TESS将进行一系列偏心相位环路(绿色)，最终飞越月球，在经过一次月球引力的弹射加速后身处于倾角大大增加的转移轨道(蓝色)。转移轨道期间的一次调整会将TESS最终送到其任务轨道（红色）上。

TESS的运行轨道

　　这种任务轨道的设计独具匠心，不仅在确保飞行器稳定的前提下提供全天域观测视野，而且有利于TESS的传感器保持在稳定的工作温度范围内。由于该轨道完全在范爱伦辐射带之外，TESS可以免遭辐射干扰与损伤。此外，这个共振轨道能避免月球引力的牵引，保持长期稳定，根据TESS燃料舱携带的燃料量，理论上其可以保持十五年的运转。这还可以兼顾南北天球的观测以及方便数据下载，TESS每隔13.7天到达近地点时，将利用大约三小时的时间窗口来下载观测数据。

　　TESS被视作开普勒卫星的继任者，但其仍和开普勒任务有着很多差别。开普勒是对一个方向进行固定观测，因此为了观测足够的恒星，不得不提高其深空探测能力，将该方向上的遥远恒星纳入观测目标；而 TESS 是对全天域进行观测，因此只针对距离我们不超过300光年的恒星。除此以外，TESS 的能力也要比开普勒强大许多，其可以覆盖 85% 的天域，且观测能力是开普勒望远镜的 350 倍。

TESS望远镜的视场（蓝色），开普勒望远镜及其拓展任务的监测范围（黄色）

　　TESS使用的四台大型广角照相机为TESS提供一个覆盖全天85%的视场。在这片广阔的视野范围内，天空被划分成26个观测区域（南北天体半球各13个），每个区域都是一片24 96度大的天区。

TESS的26个观测区域

　　这四台照相机以27天为一周期，对天空中一块24 96度大的区域进行深度观测。有些观测区域会部分重叠，所以实际上天空中有些地方被观测了一整年的时间。TESS第一年的观测任务是绘制南天的13块天区，并于第二年绘制北天的13块天区。

　　“从开普勒任务中我们了解到，天空中有着比恒星数量更多的行星。现在，TESS将帮助我们睁开眼睛，在离我们最近的一些恒星周围看见各式各样的行星。” NASA总部天体物理部主管Paul Hertz说到。

各任务区域的观测时长

 

　　硕果累累

　　TESS为我们揭开了宇宙神秘面纱的一角。

　　2020年7月4日，TESS完成其主要任务，对大约75%的星空进行了成像。在为期两年的观测任务中，TESS发现了66颗新的系外行星，以及近2100颗系外行星候选行星。截止本文成稿，TESS已经运行3年零357天，确认204颗系外行星，发现5488颗系外行星候选体。TESS 项目科学家 Patricia Boyd 说道：“TESS正在产生大量高质量的观测资料，为广泛的科学主题提供有价值的数据。” “随着它进入扩展任务，TESS已经取得了巨大的成功。”

TESS任务所发现的5000多颗系外行星（大橙色点为重点观测对象）

　　TESS在距地球约 419 光年外的一颗M矮星 TOI-1899附近发现的TOI-1899 b是有史以来第一颗具有长周期（约29天）、绕低质量恒星运行的类木行星。这一发现可以帮助天文学家更好地了解这些巨行星是如何形成的。

恒星TOI-1899 所在的位置（全景图上的正方形）

　　2020年发现的 WD 1856 b极有可能是人类有史以来发现的第一颗靠近白矮星的完整行星。当一颗类太阳恒星耗尽燃料时，它会膨胀到原来大小的数百到数千倍，形成一颗温度较低的红巨星。最终，它会喷出外层气体，损失多达 80% 的质量。剩余的热核心变成白矮星。在这个过程中，任何附近的物体通常都会被吞没和焚烧。WD 1856 b的发现可以说的上是一场“黑天鹅”事件，令研究人员们感到非常的震惊和兴奋。

WD 1856 b示意图，一颗潜在的木星大小的行星，围绕着比它的小得多的主星——一颗暗淡的白矮星运行。

　　2009年被开普勒任务发现的第二颗系外行星候选体KOI-5Ab（TESS 称其为 TOI-1241b）被TESS证实属于一个三重星系统。KOI-5 星系统由三颗恒星组成，在下图中分别标记为A、B和C。恒星A和B每30年相互绕行一次。C星每400年绕A 星和B星运行一次。该系统拥有一颗名为 KOI-5Ab 的已知行星，它的轨道相对于恒星 A 和 B 的平面呈 50 度角。天文学家怀疑这种错位的轨道是由恒星 B 造成的，它在行星的发展过程中受到引力影响，使其轨道倾斜并导致其向内迁移。

KOI-5星系示意图

　　TESS为我们展现了广阔无垠的宇宙有着无数的可能性。在TESS之后，詹姆斯韦伯太空望远镜也于2021年12月25日顺利升空，目前正在预定轨道上进行设备调试。此外，新的探测仪器，如帕洛马视向速度仪器、计划部署在亚利桑那州南部的NEID仪器，以及Keck行星探测器等都将为了解系外行星开辟新途径。

　　我们也继续期待TESS和其后继者们可以为人类不断地揭示宇宙的奥秘！