在過去的幾十年里，系外行星研究發(fā)生了革命性的變化。三十年前，我們只知道太陽系外有少數(shù)幾顆系外行星。今天，我們已經(jīng)知道了超過5000個這樣的遙遠世界的存在，其中一些與地球大小相似，一些繞著與太陽類似的恒星運行。
在這場系外行星革命中，一個重要的參與者是NASA的開普勒空間望遠鏡，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50%是通過搜索開普勒數(shù)據(jù)來尋找凌星信號而發(fā)現(xiàn)的。
但我們尋找系外行星的腳步還遠沒有停止。NASA的凌星系外行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）于2018年發(fā)射，它迅速從開普勒望遠鏡手中接過了接力棒，繼續(xù)利用凌星法尋找系外行星。TESS衛(wèi)星的任務(wù)是對全天進行搜尋，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€天空進行觀測，進而發(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鏡。因為TESS發(fā)現(xiàn)的系外行星主要圍繞著相對小質(zhì)量、明亮、且鄰近的恒星，天文學家可以輕松地使用其他觀測設(shè)備進行后隨觀測，確定系外行星的質(zhì)量和大氣層的成分。我們正通過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。
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（藍色）和行星候選體（橙色）。
/ 更靠近家園的小號系外行星
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4000顆待確認的系外行星候選體。TESS迄今為止的發(fā)現(xiàn)大致符合我們在發(fā)射前的預(yù)期。
TESS望遠鏡及其巡天項目的核心任務(wù)目標是發(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)適合用地面望遠鏡和設(shè)備觀測并測量其質(zhì)量?，F(xiàn)在，TESS已經(jīng)遠遠超過了這個目標，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行，山案座π是一顆肉眼可見的恒星——當然，這需要觀測者視力較好，且處在一個遠離城市燈光污染的非常暗的地方。
雖然你可以在一個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，因為它的大小只有地球的兩倍左右，而且它離它的恒星非常近，周期只有6天多一點。在TESS觀測這個系統(tǒng)之前，天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其中的另一顆行星，一顆在更長軌道上運行的氣態(tài)巨行星。
山案座πc的發(fā)現(xiàn)仿佛打開了TESS即將來臨的科學成果的閘門，隨之而來的新發(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“超級地球”或“迷你海王星”類別——這個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系中并不存在。
當超級地球的大小在1.8倍地球左右以及更小一些的時候，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，例如天文學家對于TOI-1452b的推測。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，天文學家可以計算出行星的密度，并推測它可能有一個非常深的海洋。
TESS在尋找可能宜居的地球大?。ㄉ踔粮。。┑膸r質(zhì)行星方面也取得了巨大的進展，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，因此對于我們所知的生命來說并不宜居。
然而，TESS發(fā)現(xiàn)了一些與其恒星距離適當?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，并且能夠在其地表擁有液態(tài)水。TOI-700 d就是這樣的一個典型例子，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，我們也無法斷定它是否完全和地球一樣。它們之間的一個關(guān)鍵區(qū)別是TOI-700 d繞著一顆紅矮星運行——TOI-700大約是太陽大小的40%，溫度大約是太陽的一半。
事實上，這顆行星周期很短，每37天就繞著這顆涼爽的恒星運行一周，但它仍然有著類似于地球的溫度，正是因為TOI-700這顆恒星比太陽的溫度低得多。由于紅矮星的磁場通常也比太陽更活躍，像TOI-700 d這樣在相對短的軌道上運行的行星，在其一生中會遭受更高水平的輻射。這種輻射肯定會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的距離更近。
尋找可能適宜生命存在的宜居行星當然是個令人興奮的話題，但TESS的既定目標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，還做出了一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。開普勒望遠鏡的發(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)量的恒星運行的行星。
然而，TESS帶給我們了一個驚喜：它發(fā)現(xiàn)了比我們預(yù)期更多的在緊密軌道上運行的這一類較小行星。在這個靠近恒星的區(qū)域，一個行星只需要幾天就能繞著它的恒星轉(zhuǎn)一圈。開普勒望遠鏡的觀測讓我們發(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的，因此這被稱為“熱海王星”沙漠。
另一個驚喜是，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，以至于天文學家在開普勒發(fā)射運行之前就用地面望遠鏡巡天發(fā)現(xiàn)了它們，所以TESS這個全天巡天項目能夠發(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。
其實真正令人驚訝的部分是，地面望遠鏡沒有在此前的全天巡天觀測中發(fā)現(xiàn)所有圍繞著明亮恒星運行的巨型行星，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)量恒星運行的巨行星（比如TOI-1899b）。我們認為這樣的組合很稀有，因為形成一個小質(zhì)量恒星的原初星云很難有足夠的材料來再制造一個質(zhì)量較大的巨行星。
這些發(fā)現(xiàn)進一步證明了我們的太陽系似乎有著罕見的行星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過其他正在進行中的對類似太陽的恒星的系外行星搜尋，我們將更深入地了解我們的太陽系究竟有多獨特。
TESS的故事遠不止于此！TESS還發(fā)現(xiàn)了一些在超短周期軌道上運行的行星——比如GJ367b，它的軌道周期只有8小時——以及一些繞著多顆恒星運行的行星，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所做的所有特殊個體行星和行星族群方面的發(fā)現(xiàn)，都有助于填補我們在系外行星普查，以及它們的形成、演化和消亡等方面的知識空白。
四個眼睛 在太空中的TESS的藝術(shù)概念圖，展示了它的太陽能電池板和四個攝像頭。
/ TESS接下來會怎樣？
TESS的主巡天任務(wù)已于2020年7月正式結(jié)束，此時它正執(zhí)行后續(xù)巡天項目。TESS的運行至少會持續(xù)到2025年，在這期間，TESS將繼續(xù)對全天進行巡天監(jiān)測，并觀測盡可能多的恒星，覆蓋更長的時間段。這將促成更多的系外行星發(fā)現(xiàn)，特別是那些有著更長軌道周期的系外行星。
作者簡介 /
科妮科爾·科?。↘nicole Colón）是美國航天局戈達德航天中心（NASA Goddard Space Flight Center）的TESS項目科學家，她還參與了JWST和Pandora SmallSat等項目，并在空閑時間研究極端的系外行星。
譯者簡介 /
王雪凇，清華大學天文系副教授，研究方向為系外行星觀測，以及與之相關(guān)的恒星物理研究，并通過收集觀測數(shù)據(jù)，建立系外行星統(tǒng)計樣本，探索它們的形成和演化。本文的翻譯得益于ChatGPT的翻譯功能，并感謝黔南師范學院許恩施老師的幫助。
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