TESS将如何寻找外星世界

TESS上周发射升空,它将扫描200,000个近而明亮的恒星,寻找新的行星和可能的宜居世界。这里’与TESS任务的2位科学家进行的圆桌讨论。

艺术家对过境系外行星调查卫星(TESS)及其某些行星采石场的印象。图片来自NASA。

通过 卡夫利基金会

寻找系外行星的新时代以及它们可能拥有的外星生命已经开始。一架SpaceX火箭上的过动系外行星勘测卫星(TESS) 于2018年4月18日推出。在接下来的两年中,TESS将扫描距离地球约200,000颗最明亮的恒星,以了解当 系外行星 穿越他们的星星’ faces.

卡夫利基金会 与两位科学家就 TESS任务,以深入了解其发展和革命性科学的目的。“Earth twin”在宇宙中。参加者是 格雷格·贝蒂奥姆,TESS任务的仪器经理 戴安娜·德拉戈米尔(Diana 德拉戈米尔),麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的哈勃博士后研究员。

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卡夫利基金会:从大局开始,TESS为什么如此重要?

戴安娜·德拉戈米尔(Diana 德拉戈米尔):TESS将发现数千个系外行星,这听起来似乎没什么大不了的,因为我们已经知道将近4,000个。但是,大多数发现的行星距离我们太远了,除了仅仅知道它们的大小以及它们在那里,我们无能为力。不同之处在于,TESS将在离我们很近的恒星周围寻找行星。当恒星离我们更近时,从我们的角度来看它们也会变亮,这有助于我们更轻松地发现和研究周围的行星。

戴安娜·德拉戈米尔(Diana 德拉戈米尔)是一名观测天文学家,其研究重点是小型系外行星。她是麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的哈勃博士后研究员。

格雷格·贝蒂奥姆:TESS正在做的一件事是帮助回答基本问题,“宇宙中还有其他生命吗?”数千年来,人们一直在想。现在TESS不会直接回答这个问题,但这就像戴安娜(Diana)所说的那样,是迈向获取数据的一步,以查看那里可能还有其他生命。自从我们提出问题以来,我们一直在努力和质疑。

TKF:您希望TESS究竟找到什么?

德拉戈米尔:TESS可能会发现约100至200个地球大小的世界,以及成千上万的系外行星,直至木星。

贝西亚姆:我们正在尝试寻找与地球类似的行星,这意味着它们’它们的特征(例如大小,质量等)将类似于地球。这意味着我们要寻找具有类似于地球重力的大气层的行星’s。我们想要找到足够凉爽的行星,以便水可以在其表面呈液态,而不是太冷而使水一直冻结。我们称这些“Goldilocks”行星,位于一颗恒星’s “habitable zone.”那真的是我们的目标。

德拉戈米尔: 非常正确。我们想找到第一个“Earth twin.”TESS将主要在红矮星的宜居带找到行星。这些恒星比太阳小,凉爽一些。与像我们的太阳这样的炽热恒星相比,围绕着红矮星的行星可以位于离其恒星更近的轨道上,并且仍然保持着不错的Goldilocks温度。较近的轨道转化为更多的过境或恒星穿越,这使这些红矮星行星比类似太阳的恒星的行星更容易寻找和研究。

天文学家正在努力研究如何推动TESS数据,并在太阳般恒星的宜居带中找到一些行星。它’具有挑战性,因为这些行星的轨道周期更长– years, that is –而不是近距离的行星。这意味着我们需要更多的观察时间才能检测出行星在其恒星上的足够过渡,以便说出我们’我肯定探测到了一颗行星。但是我们’重新充满希望,敬请期待!

TESS将在围绕着天空中最亮的恒星的轨道上发现数千颗系外行星。这项有史以来的首次太空全天候飞行调查将确定从地球大小到气体巨人不等的行星,它们围绕着各种各样的恒星类型和轨道距离。没有地面调查可以实现这一壮举。图片来自NASA’的哥达德太空飞行中心/ CI实验室。

TKF:您需要看到什么才能将TESS发现的任何行星视为可居住的?

德拉戈米尔:出于我们刚才提到的所有原因,我们希望一颗行星的大小与地球接近,但是这样做有一个小问题。与大量的岩石构成它们的体积相比,这类行星可能具有很小的大气层。为了使大多数望远镜能够详细观察大气,我们实际上需要行星具有坚固的大气。

这是因为我们使用了一种称为透射光谱的技术。当行星穿过恒星时,它会收集来自穿过行星大气的恒星发出的光。光线照射到我们身上,上面印有行星的大气光谱,我们可以对其进行分析以识别大气的成分。空气越多,可以在光谱上留下更多印记的材料,给我们带来更大的信号。

但是,如果恒星发出的光穿过很少的大气层,就像我们要与地球双胞胎一起观察时,信号将非常小。因此,根据TESS的发现,我们将从大气层较大的大型行星开始,并且随着我们拥有更好的仪器,我们将向大气层较小的较小行星过渡。那些后来的行星更可能是可居住的。

贝西亚姆:我们要在大气中寻找的是诸如水蒸气,氧气,二氧化碳之类的东西,这是我们在大气中看到的生活所需要和生活所产生的标准气体。我们’我们还将尝试测量与我们在地球上所知不相容的令人讨厌的事物。例如,如果世界上有太多氨,对生物学将是一件坏事’的气氛。碳氢化合物(如甲烷)的丰度也过高。

格雷格·贝蒂奥姆是TESS任务的仪器经理。设在麻省理工学院’在麻省理工学院林肯实验室工作期间,他还是麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的成员。

TKF:戴安娜,你的专长是系外行星比海王星小–一个比地球大四倍的行星。我们对这些世界有什么常识,TESS将如何帮助您进行研究?

德拉戈米尔:关于这些行星我们知道的一件事是,与比海王星更大的行星相比,它们极为普遍。很好。因此,我们希望TESS能够找到许多比海王星小的行星供我们观察。

尽管小到获取上面刚刚提到的大气烙印是有害的,但是如果星星在附近且明亮,我们可能仍然能够获得足够的光线来进行良好的研究。我希望我们’在海王星大小以下将获得足够的能量’我将开始观察“super-Earths,”它们是地球大小的两倍左右的行星。我们不’我们的太阳系中没有超级地球,所以我们’d喜欢近距离观察这些世界之一。而且也许,如果我们找到一个非常非常好的行星候选者,我们也许可以开始研究地球大小的行星的大气层。

通过我的研究,TESS真正可以帮助做的另一件事是弄清像海王星这样的高气行星与像地球一样多岩石的行星之间的边界。我们相信’主要是质量问题;质量太大,行星开始进入浓密的大气层。现在,我们’不知道该阈值在哪里。这很重要,所以我们知道什么时候行星是岩石的并且可能是宜居的,或者是瓦斯而不是宜居的。

TKF:Greg,作为TESS仪器经理,肩负着成功执行任务的重任。您能告诉我们一些关于您的工作吗?

贝西亚姆:当然,我担任仪器经理的工作与科学工作不同。我的工作是确保四个飞行摄像机中的所有零件,所有零件以及图像处理硬件都能一起玩耍并一起工作,并为我们提供戴安娜需要去继续探索系外行星所需的大量数据。实际上,我在任务中的个人角色在发射后不久就结束了。一旦我们证明了卫星可以提供我们期望的数据,并且我们处理了可能出现的任何意外情况,那么我继续前进,然后将数据发送给科学界。

我绝对对获得尽可能高的数据质量负有责任。多年来,很多人都非常努力地制作在TESS上飞行的相机,能够成为该团队的一员真是太好了。

TKF:新的系外行星飞行任务,例如欧洲航天局’阿里尔(Ariel)和柏拉图(Plato)卫星定于2020年代后期开始。这些未来的航天器将如何补充和建立TESS’ body of work?

德拉戈米尔:关于TESS的妙处在于,它将为我们提供很多选择,供我们选择最适合行星的行星’我想学习。这样,TESS将为Ariel搭建舞台’我们的任务是深入研究一组系外行星的大气。

柏拉图任务将寻找可居住的行星,但围绕太阳等较大的恒星,而TESS将专注于寻找较小的恒星周围的可居住的行星。我对此感到满意,因为我不希望我们仅通过TESS观察红色矮星,将所有蛋都放在一个篮子里。这些红矮星周围的行星现在非常令人兴奋,因为它们更容易研究,并且它们更频繁地通过恒星,从而更容易找到它们。但与此同时,红矮星比太阳活跃得多。当一颗恒星活跃时,这意味着它通常会排出称为耀斑的辐射。这些耀斑可能会对地球造成很大破坏’的气氛,使世界无法居住。

最后,我们当然生活在一颗太阳般的恒星周围,到目前为止,我们是唯一“we”我们在宇宙中知道。因此,出于这些原因,很高兴让柏拉图互补出现,并找到TESS可能找不到的围绕太阳的行星。

TKF:您何时期望TESS’即将报道的全新世界的首次发现?

贝西亚姆:首先’要花一些时间才能使TESS进入其独特的轨道。它’s the first time we’重新将航天器置于一种新型的远距离,高度椭圆形的轨道上,无论是从轨道角度还是从热学角度来看,地球和月球的引力都会使TESS保持非常稳定。因此,在头六个星期内发生的大部分事情只是实现最终轨道。

然后会有一段时间收集数据,以确保仪器能够按预期运行,并调整我们的数据处理流程。我想我们会在今年夏天的某个时候开始看到有趣的结果。

TKF:除了新世界,TESS还能揭示宇宙的什么?

德拉戈米尔:因为TESS观测的天空如此之多,所以它将实时看到许多正在发生的事情,而不仅仅是系外行星穿越恒星。对于这些恒星,我们可以通过使用TESS进行星震学来了解很多有关它们的特性,甚至可以非常精确地测量它们的质量。该技术涉及跟踪声波在恒星内部移动时的亮度变化–就像地震波如何穿过地球一样’地震期间岩石和内部融化。

我们还将研究恒星的爆发活动,正如我们之前提到的那样,可能会使红矮星周围的近距离,温带行星无法居住。

随着规模的扩大,科学家将希望搜索TESS数据以寻找小黑洞的证据。这些巨大的物体是在巨大恒星爆炸时形成的,它们可以绕静止的正常恒星运行“alive,”可以这么说。这些系统将帮助我们更好地了解这些黑洞是如何形成的以及它们如何与伴星相互作用。

最后,变得更大,TESS将研究称为类星体的星系。这些超明亮的星系由其核心中的超大质量黑洞提供动力。 TESS将帮助我们监控类星体’亮度变化,我们可以将其链接回它们黑洞的动态。

TKF詹姆斯·韦伯太空望远镜被誉为哈勃太空望远镜的继任者,长期以来一直被认为是对TESS发现的有希望的系外行星进行详细后续观察的主要工具。但是,詹姆斯·韦伯’发射已被多次推迟,直到2020年才被推迟了一年。正在进行的詹姆斯·韦伯(James Webb)的推迟将如何影响TESS任务?

德拉戈米尔:詹姆斯·韦伯的延误并不是什么大问题,因为它实际上使我们有更多时间用TESS收集伟大的目标行星。在我们可以使用James Webb真正观察候选系外行星并研究其大气之前,我们首先需要确认行星是真实的–我们认为行星不是由恒星活动引起的误报。使用地面望远镜的支持观测结果,确认过程需要数周时间。然后还需要数周到数月才能获得行星的质量。我们通过记录多少行星使它们的宿主恒星经历轻微的变化来进行测量“wobbles”随着时间的流逝,由于行星’重力,由质量决定。

有了质量后,再加上系外行星的大小(基于在TESS检测过程中它挡住了多少星光),就可以测量其密度并确定它是岩石还是气态。有了这些信息,就可以更轻松地确定我们要确定哪些行星的优先级,并且从詹姆斯·韦伯告诉我们有关其大气的信息中,我们可以更加了解。

TKF:航天器有时内置了幽默甚至深刻的额外元素。一个例子:“Golden Records”在旅行者双胞胎飞船上,它包含了地球上的生命和文明的图像和声音,包括泰姬陵和鸟类鸣叫。 TESS中是否包含任何此类项目?任何细微的制造者’s marks or messages?

贝西亚姆:其中一件事’与TESS一起飞行的是一块金属牌匾,上面有许多致力于开发和建造航天器的人的签名。这对我们来说是一件令人兴奋的事情。

德拉戈米尔: 这很酷。我不知道!

贝西亚姆:此外,美国国家航空航天局(NASA)举办了一项国际竞赛,邀请世界各地的人们提交他们认为系外行星可能看起来像的图纸。我知道有很多孩子参加。所有这些图纸都被扫描到拇指驱动器上,并且与TESS一起飞行。飞船’s轨道至少在一个世纪内是稳定的,因此斑块和图纸将在太空中存在很长时间!

–Adam Hadhazy,2018年春季

底线:两位科学家讨论TESS任务。

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