“潘多拉”上天，有望打開什么“盒子”？

1月11日，SpaceX公司的獵鷹9火箭裹挾著烈焰升空，將美國(guó)宇航局天體物理學(xué)開拓者計(jì)劃中的首顆衛(wèi)星“潘多拉”送入預(yù)定軌道。這顆看似小巧的衛(wèi)星承載著人類探索宇宙的雄心，開啟了為期一年的系外行星探索之旅，旨在為人類打開一扇通往系外行星奧秘的大門，解開宇宙中是否存在其他宜居世界的關(guān)鍵謎題。

為系外行星觀測(cè)去噪

自1995年首顆系外行星被發(fā)現(xiàn)以來，人類已經(jīng)在宇宙中找到超過6000顆系外行星。科學(xué)家想要了解它們的大氣層中是否存在水、氧氣等與生命相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)，但這些行星距離地球動(dòng)輒數(shù)十甚至數(shù)百光年，且亮度僅為宿主恒星的數(shù)百萬到數(shù)十億分之一，觀測(cè)難度極大，潘多拉任務(wù)就是要幫助科學(xué)家擺脫這一困境。

潘多拉任務(wù)概念圖

當(dāng)行星從恒星前方經(jīng)過時(shí)，恒星的光線會(huì)穿過行星大氣層，大氣中的物質(zhì)會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，留下獨(dú)特的光譜。通過分析光譜，天文學(xué)家本應(yīng)能夠推斷出行星大氣的成分，但現(xiàn)實(shí)情況是，恒星并非完美的均勻光源，其存在類似太陽黑子的暗區(qū)和譜斑狀的亮區(qū)，這些區(qū)域會(huì)隨恒星自轉(zhuǎn)不斷變化，導(dǎo)致光譜出現(xiàn)波動(dòng)。

更棘手的是，部分恒星的外層大氣中含有水蒸氣等物質(zhì)，其信號(hào)與行星大氣信號(hào)極易混淆，形成凌日光源效應(yīng)。這就像在搖曳的燭光下判斷紅酒品質(zhì)，無法獲得準(zhǔn)確結(jié)論。

為此，“潘多拉”將通過長(zhǎng)時(shí)間、多波段的協(xié)同觀測(cè)，分離系外行星與宿主恒星的大氣信號(hào)，精準(zhǔn)識(shí)別行星大氣中的化學(xué)成分。它將對(duì)至少20顆已發(fā)現(xiàn)的系外行星及其宿主恒星進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)，每顆目標(biāo)將被回訪10次，每次觀測(cè)持續(xù)24小時(shí)，累計(jì)為每個(gè)系統(tǒng)提供超過200小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些目標(biāo)行星大多由美國(guó)宇航局的凌日系外行星巡天衛(wèi)星“苔絲”發(fā)現(xiàn)，涵蓋了不同大小和軌道類型，其中不少行星是潛在宜居候選者。

除了核心的系外行星大氣研究，“潘多拉”還將為其他科學(xué)探索提供支持。它的觀測(cè)數(shù)據(jù)將與韋布太空望遠(yuǎn)鏡的短時(shí)長(zhǎng)紅外測(cè)量形成互補(bǔ)，幫助科學(xué)家更精準(zhǔn)地解讀韋布的觀測(cè)結(jié)果。同時(shí)，對(duì)恒星表面活動(dòng)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，也能為研究恒星演化、恒星與行星的相互作用提供寶貴數(shù)據(jù)。

低成本技術(shù)革新

作為美國(guó)宇航局天體物理學(xué)開拓者計(jì)劃的首個(gè)發(fā)射任務(wù)，“潘多拉”最引人矚目的亮點(diǎn)，是以2000萬美元的低成本實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)大型太空望遠(yuǎn)鏡的核心功能，為小型衛(wèi)星的科學(xué)應(yīng)用樹立了典范。

潘多拉衛(wèi)星的“眼睛”是一臺(tái)名為CODA的全鋁制望遠(yuǎn)鏡，由勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與康寧公司聯(lián)合研發(fā)，口徑達(dá)45厘米。傳統(tǒng)太空望遠(yuǎn)鏡的主鏡多采用玻璃或碳纖維材料，加工周期長(zhǎng)、成本高昂，而鋁合金材料不僅輕量化，還具有加工難度低、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。

更重要的是，CODA望遠(yuǎn)鏡采用了標(biāo)準(zhǔn)化核心組件設(shè)計(jì)，支持快速重構(gòu)以適配不同任務(wù)需求，其前端光學(xué)系統(tǒng)已通過多次技術(shù)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)成熟化，潘多拉任務(wù)團(tuán)隊(duì)僅需定制中繼系統(tǒng)，就完成了高性能觀測(cè)設(shè)備的研發(fā)。

在探測(cè)器方面，“潘多拉”充分復(fù)用了現(xiàn)有的成熟資源，實(shí)現(xiàn)了低成本與高精度的平衡。它的近紅外探測(cè)器是韋布望遠(yuǎn)鏡的備用設(shè)備，“潘多拉”復(fù)用這一組件，既保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，又省去了新探測(cè)器的研發(fā)周期和成本。

同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡還配備了高分辨率可見光探測(cè)器，具有可見光、近紅外多波段觀測(cè)能力。可見光波段用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)恒星表面亮暗區(qū)域變化，近紅外波段用于捕捉行星大氣的光譜，兩者數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)融合，就能有效排除恒星活動(dòng)的干擾，鎖定行星大氣的真實(shí)信號(hào)。

為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定觀測(cè)，“潘多拉”被送入太陽同步軌道。在這里，衛(wèi)星每天會(huì)在同一時(shí)間經(jīng)過地球表面的同一地點(diǎn)，且太陽始終位于衛(wèi)星后方，最大限度減少了光照變化對(duì)觀測(cè)設(shè)備的影響，確保觀測(cè)環(huán)境的穩(wěn)定性。此外，太陽同步軌道的覆蓋范圍廣，能滿足“潘多拉”對(duì)不同天區(qū)目標(biāo)的觀測(cè)需求，為持續(xù)24小時(shí)的長(zhǎng)曝光觀測(cè)提供理想條件。

小衛(wèi)星撬動(dòng)大宇宙

“潘多拉”預(yù)計(jì)于2026年2月正式啟動(dòng)科學(xué)觀測(cè)，在未來一年的觀測(cè)期內(nèi)，其有望在多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破性成果，為系外行星研究乃至整個(gè)天體物理學(xué)領(lǐng)域帶來認(rèn)知革新。

“潘多拉”能夠精準(zhǔn)刻畫系外恒星表面活動(dòng)的變化規(guī)律，包括黑子的形成、演化和消散，亮區(qū)的移動(dòng)軌跡等，建立恒星光譜的動(dòng)態(tài)基線。當(dāng)行星凌日發(fā)生時(shí)，它將同時(shí)記錄可見光和近紅外數(shù)據(jù)，通過算法將恒星信號(hào)從混合光譜中剝離，最終得到純粹的行星大氣光譜。科學(xué)家將借此明確哪些行星大氣中確實(shí)存在穩(wěn)定的水蒸氣、氧氣、氫等物質(zhì)，幫助人類鎖定真正有潛力存在生命的系外行星。此外，對(duì)比不同類型行星的大氣成分，還能為研究行星的形成和演化提供關(guān)鍵線索。

恒星不僅是行星的光源，更是影響其宜居性的關(guān)鍵變量。恒星耀斑爆發(fā)時(shí)釋放的高能粒子和輻射，可能會(huì)剝離行星的大氣層。恒星表面的磁場(chǎng)活動(dòng)、黑子周期等，會(huì)改變行星的光照強(qiáng)度和表面溫度。甚至恒星大氣中的物質(zhì)噴發(fā)，也可能對(duì)行星大氣成分產(chǎn)生影響。但由于缺乏長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，人類對(duì)恒星與行星相互作用的理解仍十分有限。

“潘多拉”將通過對(duì)恒星活動(dòng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，填補(bǔ)這一研究空白。它將記錄系外恒星耀斑、黑子周期、磁場(chǎng)活動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)的變化，同時(shí)捕捉行星大氣信號(hào)的對(duì)應(yīng)波動(dòng)，建立兩者之間的關(guān)聯(lián)模型。例如，當(dāng)恒星發(fā)生強(qiáng)耀斑時(shí)，行星大氣中的氧氣、氮?dú)馐欠駮?huì)發(fā)生電離反應(yīng)？恒星黑子的周期性變化是否會(huì)導(dǎo)致行星大氣溫度的規(guī)律性波動(dòng)？這些數(shù)據(jù)將幫助科學(xué)家更全面地評(píng)估行星的宜居性。

此外，“潘多拉”的觀測(cè)還將為恒星演化研究提供寶貴數(shù)據(jù)。通過對(duì)不同類型恒星表面活動(dòng)的對(duì)比分析，科學(xué)家能夠更深入地理解恒星的能量輸出機(jī)制、磁場(chǎng)演化規(guī)律，進(jìn)而完善恒星演化理論。

在“潘多拉”之前，太空觀測(cè)領(lǐng)域長(zhǎng)期被高成本旗艦任務(wù)主導(dǎo)：韋布望遠(yuǎn)鏡的總成本超過100億美元；哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的研發(fā)和運(yùn)維費(fèi)用累計(jì)超過60億美元。這些任務(wù)雖然成果豐碩，但數(shù)量有限、周期漫長(zhǎng)，難以滿足多樣化的科學(xué)研究需求。而潘多拉衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了與旗艦任務(wù)互補(bǔ)的高價(jià)值科學(xué)目標(biāo)，證明了小衛(wèi)星、低成本模式的可行性和潛力。

“潘多拉”這顆重量不足一噸的小衛(wèi)星，以創(chuàng)新的技術(shù)、高效的模式和堅(jiān)定的科學(xué)目標(biāo)，向遙遠(yuǎn)的系外行星發(fā)起挑戰(zhàn)。雖然任務(wù)周期僅有一年，但它不僅能夠幫助人類更精準(zhǔn)地尋找宜居行星、探索生命起源的終極問題，更能推動(dòng)太空科學(xué)進(jìn)入低成本、高效率、廣覆蓋的新時(shí)代。

來源/《中國(guó)航天報(bào)?飛天科普周刊》，原標(biāo)題《“潘多拉”上天，有望打開什么“盒子”？》

文/梁雷

編輯/靳晴 苗珊珊

審核/賀喜梅

監(jiān)制/索阿娣

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號(hào)：中國(guó)航天報(bào)

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