在系外行星的搜寻中,CHEOPS将如何大展身手?

地球上空轨道上CHEOPS艺术概念图。在这张视图中,卫星望远镜盖处于关闭状态。
图片来源:ESA/ ATG媒体实验室

对于普通的公众而言,可能对开普勒(Kepler)与“苔丝”(TESS)这样的望远镜和相关发现更为熟悉,CHEOPS任务则给望远镜的科学发现带来了独特的转折。开普勒和“苔丝”给我们带来了许多突破性的发现,让已知的系外行星(exoplanet)数量达到了数千个。然而,面对如此之多的系外行星,我们所了解到的信息还只是极少的皮毛,因此CHEOPS的主要目标不是简单地搜寻更多的行星,而是更好地了解我们已经发现的行星。

内华达学拉斯维加斯分校(University of Nevada, Las Vegas)的物理与天文学助理教授杰森·斯特芬(Jason Steffen)在系外行星这一领域已经进行了二十多年的研究,大部分时间里,他都在参与美国航空航天局(NASA)开普勒任务的相关研究。开普勒的主要发现之一,就是它发现了一系列令人困惑的系外行星,其中两个典型的例子就是:有成千上万颗行星的大小介于地球与海王星之间;还有些行星的公转周期只有几个小时。在太阳系中,没有哪一颗行星能与它们对应,这些行星长什么样?它们是如何形成的?又是如何发展成当前状态的?这些都是需要不断研究的问题。为了能更好地理解这些行星,我们需要对它们的性质进行更好的观测,包括它们的大小、质量、组成和大气。天文学家将转向CHEOPS,来填补我们的信息空白。

CHEOPS任务概述

瑞士-欧洲空间局(ESA)联合执行的任务CHEOPS,即系外行星特征卫星(Characterising ExoplanetSatellite),将对围绕较远恒星运行的行星进行大小和反照率(反射率)的关键测量。CHEOPS于2019年12月从南美北部海岸发射升空,以“次要乘客”的身份搭乘大型联盟号(Soyuz)火箭进入太空

开普勒任务发现的大多数行星都面临着一项挑战,那就是它们所围绕运行的恒星亮度非常微弱,这让它们很难被除了开普勒(现已功成身退不再运行了)以外的任何望远镜观察。与之不同的是,CHEOPS将会观察围绕明亮恒星运行的行星,开普勒此前也测得过这些行星的相关信息,但从细节上来说不足以进行详尽的研究,CHEOPS则会为科学家带来更多的详细信息。另一方面,这些行星也更适合其他望远镜上的仪器来观测,不同的观测结果可以互为补充,从而让我们对这些最近发现的行星性质有更多更全的新认识。

CHEOPS位于太阳同步轨道(Sun-synchronous orbit,SSO)上,并一直保持在地球的晨昏线(terminator / twilight zone,地球昼半球和夜半球的分界线)上方。系外行星特征卫星上有一个32厘米的镜子,用于观察行星掠过主恒星盘面时的情况。CHEOPS望远镜比开普勒小10倍,但由于它将要观察的恒星更为明亮,因此它可以达到与开普勒类似的精度,这一点在调试阶段就已经证明了。此外,CHEOPS并不会连续、同时地观察十万颗恒星以发现新的行星,而是有时间和位置目标性地着眼于单个目标。

在系外行星的搜寻中,CHEOPS将如何大展身手?

CHEOPS得到了它的第一个系外行星光变曲线。
图片来源:ESA/ Airbus / CHEOPS,CC BY-SA

CHEOPS任务中的科学

对于像太阳一样明亮的恒星,行星在主恒星前方飞掠过时会阻挡一定比例的恒星亮度,CHEOPS可以通过观察这一变化来测量地球大小的行星尺寸。改进后的行星尺寸测量方法使科学家能够确定行星的密度,从而深入了解它的组成和内部结构。行星大小的测量还建立了尺寸与其质量之间的关键关系,让我们能更多地了解行星在许多系统中共有的特征。

除了行星的大小之外,CHEOPS还可以测量行星的相位曲线(phase curve),这是由于在围绕主恒星运行时,行星的形状变化会引起亮度变化(例如月相的变化)。相位曲线告诉我们某颗行星反射了多少光,也因此反映出了行星表面、大气和云层的某些属性。反过来,这些信息可以告诉我们更多顶下和行星表面可能存在的条件信息。最后,由于CHEOPS的观测目标非常明亮,它们也是大型地面和太空望远镜进行详细大气观测的理想选择,例如欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope,E-ELT)和詹姆斯·韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope)。

最终,通过更好地了解绕其他恒星运行的行星特性,天文学家可以更好地了解我们太阳系中行星的性质,理解其他的行星是如何适应银河系中更广阔的行星背景的,以及我们的形成和历史究竟与这些外星世界有着怎样的相似或不同。

参考来源:

https://theconversation.com/how-europes-cheops-satellite-will-improve-the-hunt-for-exoplanets-129162

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