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“苔丝”上天将代替行星猎手“开普勒”望远镜 搜寻下一个地球

2018-04-24 16:34 编辑:TF003 来源:猜你会好奇

几千年来,无数人都想要知道宇宙中是否还有其他生命的存在,跟我们地球一样的行星又会在哪里。北京时间4月19日6时51分,人类历史上第一颗用于全天搜寻太阳系外行星的空间卫星TESS(苔丝)顺利发射升空,它将接替已经家喻户晓的行星猎手“开普勒”望远镜,开启属于它的系外行星搜寻新时代。

开普勒太空望远镜的效果图 新华社图

“开普勒”空间望远镜:

首次证实宇宙中系外行星普遍存在

众所周知,我们所在的太阳系由八大行星组成,科学家将太阳系之外存在的其他行星都称之为“系外行星”,它们中的绝大多数都围绕在其他恒星的周围旋转。由于这些行星自身都无法发光,距离我们又非常遥远,我们几乎很难直接用望远镜看到它们,只能通过一些间接的手段去探寻它们的“蛛丝马迹”,所以找寻系外行星异常困难。

上世纪80年代起, 随着天文技术设备的不断发展,天文学家开始尝试系统科学地搜寻系外行星。

1992年,两位波兰的射电天文学家宣称在一颗脉冲星周围找到了两颗系外行星,随后被同行确认。这是人类首次确认系外行星的存在,虽然它们存在于很特殊的天体脉冲星周围,而不是跟我们太阳类似的恒星周围。

1995年,来自瑞士的博士生奎洛兹和他的导师麦耶第一次在类太阳恒星飞马座51旁边找到了系外行星,并被美国同行马西和巴特尔证实。从那以后,人类真正开启了系外行星研究的新时代:各种望远镜通过不同方法找到的系外行星数目不断增加,许多不同性质的系外行星被陆续发现。截至本文发稿时,人类一共已找到3767颗系外行星,这一数字还在不断增加。

在此不得不提一个家喻户晓的“行星猎手”——“开普勒”空间望远镜,它自己就发现了2652颗系外行星,比其他所有望远镜发现数目的总和还要多!此外还有近3000颗可能的系外行星候选体等待进一步确认。“开普勒”空间望远镜只对0.25%的天空面积进行了四年的定点观测,就发现了如此多的系外行星,其中还包括了许多体积重量与地球相似的“类地行星”。它的发现首次证实了宇宙中系外行星是普遍存在的,而且跟地球类似的行星也有很多!

但“开普勒”找到的系外行星样本多数距离我们较为遥远,并且所围绕的恒星都比较暗弱,以现有技术水平很难进行深入的研究。几个月后,“开普勒”就将因燃料用尽结束它的使命,而作为它的继任者,“苔丝”卫星已经亮相太空。

“苔丝”卫星:

第一个搜寻系外行星“巡天”卫星

作为新一代系外行星搜寻卫星,“苔丝”在搜寻策略上有别于前辈“开普勒”:它将成为人类历史上第一个系外行星“巡天”卫星。与“开普勒”连续多年定点监测一小块天区不同,“苔丝”卫星计划将要在两年的时间内,对全天几乎90%的区域进行观测,着重瞄准我们太阳系周围的邻居们,将从“开普勒”小范围深度“抽样调查”转到近邻的“全天普查”,也就是我们所说的“巡天”模式。这种观测策略是基于“开普勒”的抽样调查后得出的“系外行星在恒星周围普遍存在”结论而专门设计的。通过巡天观测,把明亮的近邻恒星周围的行星都找出来,锁定其中“地球们”的精确位置,便于后续大型望远镜对这些目标采取进一步的细致分析研究,从而探寻这些行星上生命的痕迹。

目前搜寻系外行星的方法主要有凌星法、视像速度法、直接成像法、微引力透镜法等几种,“苔丝”继承了“开普勒”搜寻系外行星的方法——“凌星法”。这个方法原理很简单:如果行星围绕恒星运动的轨道恰巧与我们观测的视线方向平行的话,当行星运行到恒星前面的时候,就会遮挡部分恒星射向我们的光,从而导致恒星的亮度变暗。我们只需要一段时间内对恒星亮度进行长期检测,就能发现这一亮度变化从而推测行星的存在。

为了满足全天普查的观测策略,麻省理工学院林肯实验室的工程师为“苔丝”量身定制了四个高精度相机。每台相机由超长的遮光罩、7片光学器件组成的广角镜头和对红光敏感的高效率低能耗大板面CCD组成,构成了“苔丝”搜寻系外行星的“眼睛”。四只眼睛只需26次指向,就可以扫描几乎整个天空,监测距离我们200光年以内的20万颗恒星的亮度变化,从中找寻行星的存在。

为了使“苔丝”能够保持姿态稳定从而实现对全天不同位置进行连续观测,又避免其他天体的遮挡和照射,科学家们通力合作,为“苔丝”精心设计了一个迄今为止还没有任何航天器使用过的特殊轨道——它将沿着椭圆轨道每13.7天就绕地球旋转一周,近地点距离为17个地球半径,可以进行观测数据的下传;远地点为59个地球半径,已经十分接近月球轨道。当然这一复杂的轨道也并不容易抵达,“苔丝”卫星还需要在未来两个月的时间内,先经历11次加速变轨和1次月球引力弹弓效应加速后,才能最终抵达那个未曾有航天器涉足过的新轨道。

特别引人关注的是,与包括“开普勒”在内的众多大型望远镜计划不同,“苔丝”的观测数据没有数据保护期!这也就意味着,一旦两个月后“苔丝”卫星进入预定的轨道开始正式科学观测,不仅仅是“苔丝”团队的成员,包括其他各国的天文学家甚至是任何普通人都可以第一时间获取到它传回的科学数据。能够第一时间亲身参与这个重要项目的研究中,这无疑让人兴奋和充满期待。

未来:

仰头看天或能知哪颗星旁有“地球”

在“苔丝”上天之前,科学家已经基于“开普勒”的观测数据进行了大量系外行星性质的统计和分布研究,对“苔丝”的性能参数和实际观测情况也进行了大量的数值模拟工作。正所谓“知己知彼百战不殆”,科学家们基于充分的前期准备研究,给“苔丝”提出了具体的目标任务:

第一,巡视20万颗恒星,在其中太阳系近邻较亮的恒星周围寻找周期小于10天,小于2.5倍地球半径的系外行星;同时在全天搜寻大于2.5倍地球半径的系外行星。

第二,对黄极点附近的约10000颗恒星周围进行重点搜寻,发现周期长于120天的系外行星。

第三,与其他望远镜和不同探测方法相配合,确定至少50颗小于4个地球半径的系外行星的质量。

如果“苔丝”能够顺利完成上述光荣使命的话,我们在不久的将来,当仰望星空的时候,就有可能知道头顶哪些看到的星星周围有行星的存在,哪一颗又会是另一个可能的“地球”了。

有研究结合一定的数值模拟估计出,“苔丝”或将发现2万颗左右的系外行星,其中包括500颗左右的类地行星和超级地球,这里面不乏许多可能位于宜居带的行星存在。

毫无疑问,“苔丝”卫星上天后会揭开更多我们近邻恒星周围“地球”们的神秘面纱,而一旦它能够锁定这些星球的位置,未来许多大型后续项目会对这些星球进行深入的研究:其中接替哈勃太空望远镜的下一代大型空间望远镜——6.5米口径的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于2020年上天,地面上下一代的三个巨型望远镜也将在未来十年间陆续建成使用。

中国科学院国家天文台作为重要成员加入了“三十米望远镜”计划,将会获得一定的望远镜观测时间。当望远镜建成后,中国科学家将可以第一时间申请使用这个望远镜对“苔丝”锁定的目标开展细致的分析,通过拍摄光谱,可以获得行星大气成分等更多信息,从而进一步确定行星是否有适宜生命存在的环境,例如行星表面温度是否能存在液态水、大气中是否还有氧气等。

宋楠

(原标题:“苔丝”上天,搜寻下一个地球)

来源:猜你会好奇

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