在過(guò)去的幾十年里，系外行星研究發(fā)生了革命性的變化。三十年前，我們只知道太陽(yáng)系外有少數(shù)幾顆系外行星。今天，我們已經(jīng)知道了超過(guò)5000個(gè)這樣的遙遠(yuǎn)世界的存在，其中一些與地球大小相似，一些繞著與太陽(yáng)類似的恒星運(yùn)行。
在這場(chǎng)系外行星革命中，一個(gè)重要的參與者是NASA的開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡，它已于2018年退役。迄今為止發(fā)現(xiàn)的所有系外行星中，有超過(guò)50%是通過(guò)搜索開(kāi)普勒數(shù)據(jù)來(lái)尋找凌星信號(hào)而發(fā)現(xiàn)的。
但我們尋找系外行星的腳步還遠(yuǎn)沒(méi)有停止。NASA的凌星系外行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）于2018年發(fā)射，它迅速?gòu)拈_(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡手中接過(guò)了接力棒，繼續(xù)利用凌星法尋找系外行星。TESS衛(wèi)星的任務(wù)是對(duì)全天進(jìn)行搜尋，力圖找到距離我們最近的那些系外行星。
TESS是唯一能夠?qū)φ麄€(gè)天空進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)銀河系中許多最近、最易接近的系外行星的空間望遠(yuǎn)鏡。因?yàn)門ESS發(fā)現(xiàn)的系外行星主要圍繞著相對(duì)小質(zhì)量、明亮、且鄰近的恒星，天文學(xué)家可以輕松地使用其他觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行后隨觀測(cè)，確定系外行星的質(zhì)量和大氣層的成分。我們正通過(guò)TESS的發(fā)現(xiàn)，在探索系外行星的構(gòu)成，以及尋找類似地球的系外行星的旅程中不斷向前邁進(jìn)。
截止2022年底，TESS發(fā)現(xiàn)的位于南天的已經(jīng)確證的系外行星（藍(lán)色）和行星候選體（橙色）。
/ 更靠近家園的小號(hào)系外行星
TESS使得我們得以著重搜尋那些距離我們的家園太陽(yáng)系最近的行星系統(tǒng)。到目前為止，TESS已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確證了285顆系外行星，還有超過(guò)4000顆待確認(rèn)的系外行星候選體。TESS迄今為止的發(fā)現(xiàn)大致符合我們?cè)诎l(fā)射前的預(yù)期。
TESS望遠(yuǎn)鏡及其巡天項(xiàng)目的核心任務(wù)目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)50顆半徑小于地球4倍的較小行星，并且這些行星系統(tǒng)適合用地面望遠(yuǎn)鏡和設(shè)備觀測(cè)并測(cè)量其質(zhì)量?，F(xiàn)在，TESS已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了這個(gè)目標(biāo)，它發(fā)現(xiàn)了174顆較小行星，其中116顆已經(jīng)獲得了后續(xù)質(zhì)量測(cè)量。
TESS發(fā)現(xiàn)的第一顆行星，山案座πc（PiMensae c），繞著一顆非常明亮恒星運(yùn)行，山案座π是一顆肉眼可見(jiàn)的恒星——當(dāng)然，這需要觀測(cè)者視力較好，且處在一個(gè)遠(yuǎn)離城市燈光污染的非常暗的地方。
雖然你可以在一個(gè)晴朗的夜晚用自己的眼睛看到山案座π這顆恒星，但你不可能用肉眼看到繞轉(zhuǎn)它的行星，因?yàn)樗拇笮≈挥械厍虻膬杀蹲笥?，而且它離它的恒星非常近，周期只有6天多一點(diǎn)。在TESS觀測(cè)這個(gè)系統(tǒng)之前，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其中的另一顆行星，一顆在更長(zhǎng)軌道上運(yùn)行的氣態(tài)巨行星。
山案座πc的發(fā)現(xiàn)仿佛打開(kāi)了TESS即將來(lái)臨的科學(xué)成果的閘門，隨之而來(lái)的新發(fā)現(xiàn)仿佛洪水一般大量的涌現(xiàn)。在這些TESS新發(fā)現(xiàn)中，主要是一些較小行星，它們的大小只有地球的幾倍，其中約50%屬于“超級(jí)地球”或“迷你海王星”類別——這個(gè)比例大致與以前的系外行星發(fā)現(xiàn)比例相似，但這樣的行星我們太陽(yáng)系中并不存在。
當(dāng)超級(jí)地球的大小在1.8倍地球左右以及更小一些的時(shí)候，我們就不能斷定它們的表面是否一定是類似地球的巖石形態(tài)；相反，它們可能有各種各樣的成分。其中一種預(yù)期的成分是水世界，例如天文學(xué)家對(duì)于TOI-1452b的推測(cè)。這顆行星大約比地球大70%，質(zhì)量大約是地球的五倍。根據(jù)它的大小和質(zhì)量，天文學(xué)家可以計(jì)算出行星的密度，并推測(cè)它可能有一個(gè)非常深的海洋。
TESS在尋找可能宜居的地球大小（甚至更?。。┑膸r質(zhì)行星方面也取得了巨大的進(jìn)展，迄今已發(fā)現(xiàn)了11顆這樣的行星，其中包括HD 21749c和L 98-59b。這兩顆行星比地球溫暖得多，因此對(duì)于我們所知的生命來(lái)說(shuō)并不宜居。
然而，TESS發(fā)現(xiàn)了一些與其恒星距離適當(dāng)?shù)男行?，倘若具備符合條件的大氣層，這些行星的表面溫度可能與地球相似，并且能夠在其地表?yè)碛幸簯B(tài)水。TOI-700 d就是這樣的一個(gè)典型例子，它是TESS發(fā)現(xiàn)的一顆位于其恒星宜居帶內(nèi)的系外行星，且該行星僅比地球大20%，因此也有可能具有巖石表面。
話雖如此，即使像TOI-700 d這樣的大小和溫度與地球一樣行星，我們也無(wú)法斷定它是否完全和地球一樣。它們之間的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是TOI-700 d繞著一顆紅矮星運(yùn)行——TOI-700大約是太陽(yáng)大小的40%，溫度大約是太陽(yáng)的一半。
事實(shí)上，這顆行星周期很短，每37天就繞著這顆涼爽的恒星運(yùn)行一周，但它仍然有著類似于地球的溫度，正是因?yàn)門OI-700這顆恒星比太陽(yáng)的溫度低得多。由于紅矮星的磁場(chǎng)通常也比太陽(yáng)更活躍，像TOI-700 d這樣在相對(duì)短的軌道上運(yùn)行的行星，在其一生中會(huì)遭受更高水平的輻射。這種輻射肯定會(huì)以我們暫未深入理解的方式影響生命的形成和演化。
與地球不盡相同 恒星TOI-700的宜居帶內(nèi)有兩顆行星：d和新發(fā)現(xiàn)的行星e（于2023年1月公布）。但由于該恒星是一顆紅矮星，其適居帶比水星與太陽(yáng)的距離更近。
尋找可能適宜生命存在的宜居行星當(dāng)然是個(gè)令人興奮的話題，但TESS的既定目標(biāo)中并未包含搜尋這些與地球極其相似的行星，因此上述發(fā)現(xiàn)顯然是意外收獲。無(wú)論是否有這樣的發(fā)現(xiàn)，TESS也已經(jīng)取得了豐富的成果，它發(fā)現(xiàn)了許多圍繞著小質(zhì)量近鄰亮星運(yùn)行的較小行星。
/ 揭示系外行星的新秘密
TESS不僅超越了它最初的任務(wù)目標(biāo)，還做出了一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)讓我們知道，銀河系中最典型的系外行星大約是地球大小的2到3倍，TESS也證實(shí)了這一規(guī)律同樣適用于圍繞著更冷、更小質(zhì)量的恒星運(yùn)行的行星。
然而，TESS帶給我們了一個(gè)驚喜：它發(fā)現(xiàn)了比我們預(yù)期更多的在緊密軌道上運(yùn)行的這一類較小行星。在這個(gè)靠近恒星的區(qū)域，一個(gè)行星只需要幾天就能繞著它的恒星轉(zhuǎn)一圈。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)讓我們發(fā)現(xiàn)，在這些靠近恒星的軌道上，海王星大小或稍小一些的行星是非常罕見(jiàn)的，因此這被稱為“熱海王星”沙漠。
另一個(gè)驚喜是，TESS發(fā)現(xiàn)了比預(yù)期更多的巨行星。巨行星只占開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)的4%。然而，大約27%的TESS發(fā)現(xiàn)是大約木星大小或更大的行星。巨行星很常見(jiàn)，以至于天文學(xué)家在開(kāi)普勒發(fā)射運(yùn)行之前就用地面望遠(yuǎn)鏡巡天發(fā)現(xiàn)了它們，所以TESS這個(gè)全天巡天項(xiàng)目能夠發(fā)現(xiàn)除了較小行星之外的額外巨行星并不十分令人驚訝。
其實(shí)真正令人驚訝的部分是，地面望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有在此前的全天巡天觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)所有圍繞著明亮恒星運(yùn)行的巨型行星，以至于TESS找到了許多額外的巨行星。值得注意的是，TESS發(fā)現(xiàn)了一類圍繞著小質(zhì)量恒星運(yùn)行的巨行星（比如TOI-1899b）。我們認(rèn)為這樣的組合很稀有，因?yàn)樾纬梢粋€(gè)小質(zhì)量恒星的原初星云很難有足夠的材料來(lái)再制造一個(gè)質(zhì)量較大的巨行星。
這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證明了我們的太陽(yáng)系似乎有著罕見(jiàn)的行星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)其他正在進(jìn)行中的對(duì)類似太陽(yáng)的恒星的系外行星搜尋，我們將更深入地了解我們的太陽(yáng)系究竟有多獨(dú)特。
TESS的故事遠(yuǎn)不止于此！TESS還發(fā)現(xiàn)了一些在超短周期軌道上運(yùn)行的行星——比如GJ367b，它的軌道周期只有8小時(shí)——以及一些繞著多顆恒星運(yùn)行的行星，比如TOI-1338b。這些發(fā)現(xiàn)展示了系外行星系統(tǒng)令人著迷的多樣性，極大地補(bǔ)充了其他系外行星巡天搜尋的結(jié)果。
TESS所做的所有特殊個(gè)體行星和行星族群方面的發(fā)現(xiàn)，都有助于填補(bǔ)我們?cè)谙低庑行瞧詹椋约八鼈兊男纬?、演化和消亡等方面的知識(shí)空白。
四個(gè)眼睛 在太空中的TESS的藝術(shù)概念圖，展示了它的太陽(yáng)能電池板和四個(gè)攝像頭。
/ TESS接下來(lái)會(huì)怎樣？
TESS的主巡天任務(wù)已于2020年7月正式結(jié)束，此時(shí)它正執(zhí)行后續(xù)巡天項(xiàng)目。TESS的運(yùn)行至少會(huì)持續(xù)到2025年，在這期間，TESS將繼續(xù)對(duì)全天進(jìn)行巡天監(jiān)測(cè)，并觀測(cè)盡可能多的恒星，覆蓋更長(zhǎng)的時(shí)間段。這將促成更多的系外行星發(fā)現(xiàn)，特別是那些有著更長(zhǎng)軌道周期的系外行星。
作者簡(jiǎn)介 /
科妮科爾·科?。↘nicole Colón）是美國(guó)航天局戈達(dá)德航天中心（NASA Goddard Space Flight Center）的TESS項(xiàng)目科學(xué)家，她還參與了JWST和Pandora SmallSat等項(xiàng)目，并在空閑時(shí)間研究極端的系外行星。
譯者簡(jiǎn)介 /
王雪凇，清華大學(xué)天文系副教授，研究方向?yàn)橄低庑行怯^測(cè)，以及與之相關(guān)的恒星物理研究，并通過(guò)收集觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立系外行星統(tǒng)計(jì)樣本，探索它們的形成和演化。本文的翻譯得益于ChatGPT的翻譯功能，并感謝黔南師范學(xué)院許恩施老師的幫助。
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