系外行星无处不在？

在过去的几十年里，系外行星研究发生了革命性的变化。三十年前，我们只知道太阳系外有少数几颗系外行星。今天，我们已经知道了超过5000个这样的遥远世界的存在，其中一些与地球大小相似，一些绕着与太阳类似的恒星运行。

在这场系外行星革命中，一个重要的参与者是NASA的开普勒空间望远镜，它已于2018年退役。迄今为止发现的所有系外行星中，有超过50%是通过搜索开普勒数据来寻找凌星信号而发现的。

但我们寻找系外行星的脚步还远没有停止。NASA的凌星系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）于2018年发射，它迅速从开普勒望远镜手中接过了接力棒，继续利用凌星法寻找系外行星。TESS卫星的任务是对全天进行搜寻，力图找到距离我们最近的那些系外行星。

TESS是唯一能够对整个天空进行观测，进而发现银河系中许多最近、最易接近的系外行星的空间望远镜。因为TESS发现的系外行星主要围绕着相对小质量、明亮、且邻近的恒星，天文学家可以轻松地使用其他观测设备进行后随观测，确定系外行星的质量和大气层的成分。我们正通过TESS的发现，在探索系外行星的构成，以及寻找类似地球的系外行星的旅程中不断向前迈进。

截至2022年底，TESS发现的位于南天的已经确证的系外行星（蓝色）和行星候选体（橙色）。

更靠近家园的小号系外行星

TESS使得我们得以着重搜寻那些距离我们的家园太阳系最近的行星系统。到目前为止，TESS已经发现并确证了285颗系外行星，还有超过4000颗待确认的系外行星候选体。TESS迄今为止的发现大致符合我们在发射前的预期。

TESS望远镜及其巡天项目的核心任务目标是发现50颗半径小于地球4倍的较小行星，并且这些行星系统适合用地面望远镜和设备观测并测量其质量。现在，TESS已经远远超过了这个目标，它发现了174颗较小行星，其中116颗已经获得了后续质量测量。

TESS发现的第一颗行星，山案座πc（PiMensae c），绕着一颗非常明亮的恒星运行，山案座π是一颗肉眼可见的恒星——当然，这需要观测者视力较好，且处在一个远离城市灯光污染的非常暗的地方。

虽然你可以在一个晴朗的夜晚用自己的眼睛看到山案座π这颗恒星，但你不可能用肉眼看到绕转它的行星，因为它的大小只有地球的两倍左右，而且它离它的恒星非常近，周期只有6天多一点。在TESS观测这个系统之前，天文学家已经发现了其中的另一颗行星，一颗在更长轨道上运行的气态巨行星。

山案座πc的发现仿佛打开了TESS即将来临的科学成果的闸门，随之而来的新发现仿佛洪水一般大量的涌现。在这些TESS新发现中，主要是一些较小行星，它们的大小只有地球的几倍，其中约50%属于“超级地球”或“迷你海王星”类别——这个比例大致与以前的系外行星发现比例相似，但这样的行星在我们太阳系中并不存在。

当超级地球的大小在1.8倍地球左右以及更小一些的时候，我们就不能断定它们的表面是否一定是类似地球的岩石形态；相反，它们可能有各种各样的成分。其中一种预期的成分是水世界，例如天文学家对于TOI-1452b的推测。这颗行星大约比地球大70%，质量大约是地球的五倍。根据它的大小和质量，天文学家可以计算出行星的密度，并推测它可能有一个非常深的海洋。

TESS在寻找可能宜居的地球大小（甚至更小！）的岩质行星方面也取得了巨大的进展，迄今已发现了11颗这样的行星，其中包括HD 21749c和L 98-59b。这两颗行星比地球温暖得多，因此对于我们所知的生命来说并不宜居。

然而，TESS发现了一些与其恒星距离适当的行星，倘若具备符合条件的大气层，这些行星的表面温度可能与地球相似，并且能够在其地表拥有液态水。TOI-700 d就是这样的一个典型例子，它是TESS发现的一颗位于其恒星宜居带内的系外行星，且该行星仅比地球大20%，因此也有可能具有岩石表面。

话虽如此，即使像TOI-700 d这样的大小和温度与地球一样行星，我们也无法断定它是否完全和地球一样。它们之间的一个关键区别是TOI-700 d绕着一颗红矮星运行——TOI-700大约是太阳大小的40%，温度大约是太阳的一半。

事实上，这颗行星周期很短，每37天就绕着这颗凉爽的恒星运行一周，但它仍然有着类似于地球的温度，正是因为TOI-700这颗恒星比太阳的温度低得多。由于红矮星的磁场通常也比太阳更活跃，像TOI-700 d这样在相对短的轨道上运行的行星，在其一生中会遭受更高水平的辐射。这种辐射肯定会以我们暂未深入理解的方式影响生命的形成和演化。

与地球不尽相同 恒星TOI-700的宜居带内有两颗行星：d和新发现的行星e（于2023年1月公布）。但由于该恒星是一颗红矮星，其适居带比水星与太阳的距离更近。

寻找可能适宜生命存在的宜居行星当然是个令人兴奋的话题，但TESS的既定目标中并未包含搜寻这些与地球极其相似的行星，因此上述发现显然是意外收获。无论是否有这样的发现，TESS也已经取得了丰富的成果，它发现了许多围绕着小质量近邻亮星运行的较小行星。

揭示系外行星的新秘密

TESS不仅超越了它最初的任务目标，还做出了一些意想不到的发现。开普勒望远镜的发现让我们知道，银河系中最典型的系外行星大约是地球大小的2到3倍，TESS也证实了这一规律同样适用于围绕着更冷、更小质量的恒星运行的行星。

然而，TESS带给我们了一个惊喜：它发现了比我们预期更多的在紧密轨道上运行的这一类较小行星。在这个靠近恒星的区域，一个行星只需要几天就能绕着它的恒星转一圈。开普勒望远镜的观测让我们发现，在这些靠近恒星的轨道上，海王星大小或稍小一些的行星是非常罕见的，因此这被称为“热海王星”沙漠。

另一个惊喜是，TESS发现了比预期更多的巨行星。巨行星只占开普勒发现的4%。然而，大约27%的TESS发现是大约木星大小或更大的行星。巨行星很常见，以至于天文学家在开普勒发射运行之前就用地面望远镜巡天发现了它们，所以TESS这个全天巡天项目能够发现除了较小行星之外的额外巨行星并不十分令人惊讶。

其实真正令人惊讶的部分是，地面望远镜没有在此前的全天巡天观测中发现所有围绕着明亮恒星运行的巨型行星，以至于TESS找到了许多额外的巨行星。值得注意的是，TESS发现了一类围绕着小质量恒星运行的巨行星（比如TOI-1899b）。我们认为这样的组合很稀有，因为形成一个小质量恒星的原初星云很难有足够的材料来再制造一个质量较大的巨行星。

这些发现进一步证明了我们的太阳系似乎有着罕见的行星系统结构。通过其他正在进行中的对类似太阳的恒星的系外行星搜寻，我们将更深入地了解我们的太阳系究竟有多独特。

TESS的故事远不止于此！TESS还发现了一些在超短周期轨道上运行的行星——比如GJ367b，它的轨道周期只有8小时——以及一些绕着多颗恒星运行的行星，比如TOI-1338b。这些发现展示了系外行星系统令人着迷的多样性，极大地补充了其他系外行星巡天搜寻的结果。

TESS所做的所有特殊个体行星和行星族群方面的发现，都有助于填补我们在系外行星普查，以及它们的形成、演化和消亡等方面的知识空白。

四个眼睛 在太空中的TESS的艺术概念图，展示了它的太阳能电池板和四个摄像头。

TESS接下来会怎样？

TESS的主巡天任务已于2020年7月正式结束，此时它正执行后续巡天项目。TESS的运行至少会持续到2025年，在这期间，TESS将继续对全天进行巡天监测，并观测尽可能多的恒星，覆盖更长的时间段。这将促成更多的系外行星发现，特别是那些有着更长轨道周期的系外行星。

作者简介：科妮科尔·科隆（Knicole Colón）是美国航天局戈达德航天中心（NASA Goddard Space Flight Center）的TESS项目科学家，她还参与了JWST和Pandora SmallSat等项目，并在空闲时间研究极端的系外行星。

译者简介：王雪凇，清华大学天文系副教授，研究方向为系外行星观测，以及与之相关的恒星物理研究，并通过收集观测数据，建立系外行星统计样本，探索它们的形成和演化。

本文的翻译得益于ChatGPT的翻译功能，并感谢黔南师范学院许恩施老师的帮助。

本文来自微信公众号：中国国家天文（ID：chineseastronomy），作者：Knicole Colón，译者：王雪凇，编辑：缓缓、怀尘