美国国家航空航天局（NASA）的最新航天器以前所未有的方式搜寻新世界

美国国家航空航天局将很快再次创造历史。

如果一切按计划进行，今年春天某个时候，一枚 SpaceX 猎鹰9号火箭将把凌日系外行星巡天卫星（TESS）送入太空。一旦进入“高地球”轨道，该卫星的仪器将扫描整个天空，希望能找到我们太阳系之外的小行星。主要目标是相对较近、在几百光年范围内的潜在宜居世界。

但这项任务的科学目标并非唯一具有历史意义的部分：TESS 还因其绕地球飞行的轨道路径而引人注目，它将在太空中开辟一条从未有任何航天器飞过的路线。麻省理工学院TESS首席研究员乔治·里克尔（George Ricker）表示，多亏了轨道的细长椭圆形，"我们可以在观测期间远离地球，大约每13天左右靠近地球一次以传输数据。"

这些以及其他的轨道特性将使TESS准确地到达它需要的位置——相对较少的能量和金钱支出。这引起了计划未来太空任务的科学家的注意。这是一个独特的轨道，即使不是开创性的，也绝对是“太空突破性的”。

金凤花轨道

从卡纳维拉尔角发射后，TESS 将绕地球3.5圈，然后绕月球飞行，月球的引力将把卫星推入预定轨道。该轨道被称为“P/2”，因为 TESS 将每13.7天绕地球一周，是月球27.3天轨道周期的一半；TESS 绕地球两圈，月球绕地球一圈。该卫星的轨道也倾斜，与地球和月球平面呈约40度角。

“这是一种神奇的轨道，应该能让我们连续300小时进行长时间不间断的观测，因为地球和月亮不会挡路，”里克尔解释说。“这还是一种我们必须开发并经过数学证明的新颖轨道。”与他一同完成这项任务的还有美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的专家（该中心负责指导这项任务）以及洛杉矶的航空航天公司。

为从未尝试过的轨道做准备似乎是任务规划的正常组成部分，但卫星路径的变化 surprisingly 少。“对于太空天文学来说，通常会使用大约六种轨道，”里克尔指出，但没有一个标准轨道对 TESS 来说是完全合适的。

例如，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）使用了所谓的L2轨道，即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜也将如此。L2是围绕太阳运行的轨道，与地球同步移动，距离地球近一百万英里。但这个遥远的轨道不是一个可行的选择，因为它需要比TESS预算允许的更大、更强大的火箭。

Ricker 的团队也拒绝了低地球轨道，例如哈勃太空望远镜所遵循的轨道。TESS 卫星将不得不每天多次穿过高辐射区，即范艾伦辐射带的一部分，这可能会对飞船的敏感设备造成损害。地球散发的热量也可能干扰 TESS 的测量。

P/2 轨道将卫星保持在更高的海拔，远离地球的辐射和热量。在那里你可以看得更清楚，就像从摩天大楼顶部看到的景色比从二楼看到的更好。此外，多亏了月球的引力助推，到达 P/2 轨道只需适量的火箭燃料。这是 TESS 完美的选择。

注意你的 P 和 2

但是，解决TESS轨道以及任务其他重要方面的复杂性，一直是一项漫长的过程。Ricker在十二年前就开始研究这个项目，NASA在2008年驳回了第一个TESS提案。他在航空航天公司顾问Randy Persinger和其他同事的帮助下再次尝试。

到2010年，他们已经弄清楚了大部分细节，但仍未确定轨道。有很多要求：它必须足够大，持续时间足够长，才能提供对特定恒星的连续、无障碍观测，但又要足够靠近地球，以便任务的小型火箭能够到达。

受 TESS 启发，为拟议的 X 射线天文台 Arcus 设计的月球辅助轨道，每绕月球一周，将绕地球四次。| SAO/Orbital ATK

幸运的是，TESS 合作组织的另一位成员向他们展示了一篇2001年的论文，其中首次严肃讨论了高地球 P/2 轨道。里克尔和珀辛格很快意识到，这个未经测试的“疯狂轨道”可能会给他们带来长时间的观星时间——但代价不菲。“我们可能读了那篇论文十几遍，”珀辛格说。“这个轨道以前从未尝试过，但我们把 TESS 的未来押在了它上面。”

令人担忧的是，轨道可能不稳定，因为它以几种不同的方式振荡。想象一下轨道是一块柔韧的冲浪板，平衡在代表地球的球上，冲浪板的边缘充当TESS的飞行路径。

振荡意味着冲浪板将周期性地左右、上下摆动，剧烈改变它所指向的方向。正如冲浪板可以在球上向前或向后滚动一样，轨道的整体位置也可以相对于地球发生变化，变化范围巨大——高达地球半径的10倍。最后，冲浪板本身的形状也会变化，在保持恒定长度的同时变得更宽或更窄。

里克尔和他的团队最终了解到这些振荡可以得到控制，这在2001年的论文中尚未确立。“如果你正确设置初始条件，”里克尔说，“这些振荡将保持在范围内——换句话说，是稳定的。”他们在戈达德的同事使用不同的数值方法得出了相同的结论。P/2会奏效。

在Ricker和Persinger赢得科学审查小组的支持后，NASA于2013年正式批准了这项任务。“没有P/2高地球轨道，TESS就不会被NASA选中执行飞行任务，”Persinger说。它是任务不可或缺的一部分。

新的轨道来了

在 TESS 团队进行最后的发射准备时，其他天文学家正在关注其独特的轨道。史密森尼天体物理观测站的兰德尔·史密斯（Randall Smith）为拟议中的 X 射线观测站 Arcus 采用了稍有不同的 P/4 月球共振轨道。它将绕地球四次，相当于月球绕地球一次。而 Lynx，Chandra 太空望远镜的拟议继任者，也将“TESS 型轨道”列为最佳选择之一。“我们正在追随 TESS 的脚步，”史密斯说。“这些月球辅助轨道是‘新热点’，借用《黑衣人》中的一句话。”

这也许是对一个旨在帮助我们发现最接近、最有可能存在外星生命之地的轨道的一个恰当比喻。P/2 和其他月球辅助轨道很可能对未来的任务有用，但 TESS——借用《黑衣人》中的另一句话——仍然是第一个“让这看起来很棒”的。

【本文最初以“轨道开拓者”为题刊登于印刷版。】