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开普勒继任者TESS升空 去寻找第二颗地球

2009年升空的开普勒望远镜已经为我们找出3500颗系外行星，并在其他恒星的宜居带内发现了12颗岩质行星。如今开普勒望远镜即将结束自己的使命，而它的继任者就是TESS。

2017年8月21日的早上，在爱达荷州米德维尔的一片草地上，我和家人满怀期待地等候着。很快，我们就将被月亮的阴影笼罩，在俄勒冈与南卡罗来纳之间的这块狭长地带上，我们即将和众多远道而来的人们一起，见证一次日全食。

在目睹这怪异的白昼黄昏，看到了难得一见的白热日冕后，我很好奇到底有多少小孩子被这天文现象所吸引，在内心种下了成为天文学家的志向。“食”这种天文现象在人类历史上一直是灵感和知识的来源，即使在现代也一直启发着我们。我自己的研究虽不依靠日食，但却建立在另一种“食”现象之上：太阳系外行星的凌星现象。对于距离我们数光年的恒星来说，尽管望远镜实际上并不能观测到一颗行星经过它表面时呈现出的剪影，但行星挡住一部分星光时导致的微弱亮度下降，足以告诉我们一个异星世界是存在的。

天文学家在1999年首次探测到行星的凌星现象，在这之后10年里，总共观测到的凌星现象也才超过100次。但如今，凭借美国航空航天局（NASA）今年即将退役的开普勒望远镜，我们已经发现了将近4000颗凌星系外行星。尽管凌星探测法是目前我们搜寻遥远的系外行星最高效的方法，但是其他的行星探测技术也已经发现了超过700颗系外行星。总的来说，我们探测到的系外行星极为多样，是任何已有的行星形成理论都没有预测到的。而这，还可能只是冰山一角。

今年，NASA和欧洲空间局（ESA）都会发射致力于凌星系外行星搜索的新空间望远镜。与此同时，地面天文台的新型望远镜将把搜寻目标扩展到空间望远镜不会研究的恒星类型。而对于ESA预计于2026年发射的终极凌星现象探测飞船来说，这所有的一切，仅仅是盛宴之前的开胃小菜。

围绕红矮星旋转：一颗自身拥有卫星的行星，沐浴在恒星和耀斑的温暖光辉中。绘图：罗恩·米勒

太阳系外行星概况

我们目前对系外行星的了解，有很大的一部分来源于开普勒望远镜。2009年发射入轨之后，开普勒望远镜在绕日轨道上目不转睛地盯着天鹅座和天琴座之间的一块区域，监测着约150 000颗恒星的亮度。到了2013年，由于两个用来稳定望远镜指向的反作用轮发生故障，开普勒望远镜采用了新的观测模式。令人惊奇的是，它在新模式下仍然有能力搜寻到新的系外行星。

实际上，凌星现象是很稀少的。开普勒只在很小一部分观测目标上找到了系外行星凌星的证据，即恒星短暂且周期性的亮度下降。这一连串亮度变化揭示了行星的存在，这类行星的轨道平面恰好与我们的视线方向近乎完美地重合，每次掠过恒星前面时，都会导致一次微小的恒星偏食。而亮度下降的比例则可以告诉我们行星与恒星横截面积之比。因此，较大天体相对来说更容易被探测到。举例来说，如果从很远的地方观察太阳系，木星掠过太阳前面会造成1%的亮度下降；而地球掠过太阳前面时却只会导致0.01%的亮度下降。由于地球大气层对星光的扰动过大，到目前为止，地基望远镜还无法测量如此微弱的信号。所以，我们需要空间望远镜。

开普勒空间望远镜发现了将近5000个行星候选者，经过后续的分析，其中有超过3500个已经被认证为真正的行星。开普勒发现的行星主要分为两大类：与地球大小类似或稍大点的（“超级地球”）、比太阳系的第八颗行星稍微小一点的（“迷你海王星”）。开普勒发现的绝大多数行星系统只有一个已知行星，但仍有几百个行星系统拥有多颗行星。最近发现的一个行星系统拥有多达8颗行星，数量上与太阳系相当。通过这些数字，我们可以知道开普勒自身存在观测偏差——更容易探测到那些体积更大、轨道更靠近主星的行星，但同时我们也可以从中了解系外行星的整体状况。

系外行星普查

仅仅在26年以前，第一颗系外行星才被发现。从那时开始到现在，天文学家已经编制出了一个拥有超过3500颗行星的系外行星表。然而这只是茫茫宇宙中可能存在的系外行星中的一小部分。目前为止，大多数发现都来自于不久的将来就要结束任务的NASA开普勒空间望远镜。接过观测大旗的是NASA的凌星系外行星巡天望远镜（TESS）和欧洲的系外行星表征卫星（CHEOPS）。

开普勒空间望远镜的一些发现着实激动人心。举例来说，在我看来，最不可思议的就是它发现了迷你太阳系的存在。在这些行星系统中，有可能多达6颗的行星簇拥围绕着一颗恒星旋转，但就算最外一颗行星的轨道也要比水星绕太阳的公转轨道更靠内。这个发现的重要之处在于，迷你太阳系是一种普遍存在的行星系统构型。如果你在夜空中随机指向一个类太阳的恒星，有50%的可能，它至少拥有一个比地球大，且公转轨道比水星更靠近太阳的行星。没有人预料到这种行星会如此常见；事实上，某些非常详尽的理论甚至曾预测这种构型会非常罕见。由此可见，行星形成的标准理论遗漏了一些非常基础的要素。

开普勒还发现了一些数量稀少却奇特的行星。曾经有人预言过这些行星的存在，只不过这些人是科幻小说的作者。在我最喜欢的行星中，有一颗被称为KOI1843.03，这是一颗大小与地球相似，但离它的主星非常近的行星，以至于它白昼一侧的温度高达几千度。它的表面很可能覆盖着一层流动的岩浆海，似乎与电影《星球大战》中欧比旺和安纳金那段经典的光剑对决所在的地点——穆斯塔法星有些相似。KOI1843.03的公转轨道非常之小，它绕主星旋转一周仅仅需要4.25小时，与看完《星球大战3》和其所有特别收录所花的时间差不多。另一颗行星Kepler-16b和卢克·天行者的母星塔图因也很相似：它的天空中也有两个太阳。这是因为Kepler-16b环绕公转的主星是一对相互绕转的双星。

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