CHEOPS：欧空局系外行星调查任务指南

地球上方的CHEOPS的插图，背景是我们地球大气层的蓝色朦胧线。(Image credit: ESA/ATG medialab)

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（By Robert Lea）：特征化系外行星卫星(CHEOPS)是欧洲航天局(ESA)的航天器，主要目标是研究已知由自己的行星围绕轨道运行的明亮的邻近恒星。

因此，该任务将围绕其他恒星、太阳系外行星或“系外行星”的行星科学带入了探测之外的深度研究领域。ESA表示, CHEOPS是第一个系外行星后续任务，当行星经过或经过其恒星表面导致光线轻微下降时，对行星的大小和大气特征进行高精度观测。

这项任务的重点是大小在地球、超级地球和太阳系冰巨人海王星的几倍之间的行星。

2019年12月18日，由伯尔尼大学(UNIBE)与日内瓦大学(UNIGE)合作领导的欧空局和瑞士的联合任务，高5.2英尺(1.6米)，重640磅(290公斤)的CHEOPS卫星从欧空局在法属圭亚那库鲁的发射场升空，搭载在阿丽亚娜航天公司的Soyuz-Fregat火箭VS23上。

根据ESA的说法, CHEOPS在大约435英里(700公里)的高度围绕地球运行，在所谓的“太阳同步轨道”上，它经过地球的两极，同时保持与太阳相同的固定位置。这意味着它每天在同一时间经过地球上的同一点。

CHEOPS是系外行星科学前进中不可或缺的一部分，它选择了加州理工学院称为“黄金目标”的系外行星。这些有大气层的世界是用其他仪器进行后续调查的主要对象，包括人类发射到太空的最强大的望远镜，詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)。

因此，使用CHEOPS进行的研究可以帮助最终确定大气成分可以表明适合生命存在或生命本身可能存在的行星。

我们向来自意大利卡塔尼亚天体物理天文台的伊莎贝拉·帕加诺询问了一些关于欧空局CHEOPS任务的问题。

伊莎贝拉·帕加诺是意大利卡塔尼亚天体物理天文台的CHEOPS委员会和科学小组的成员

系外行星的特征描述，测量凌日行星的半径，获得关于某一系外行星所属系统结构的准确信息，例如，该系统中是否存在其他行星，以及获得关于系外行星大气特性的信息。

CHEOPS提供了以精确的光度精度长时间监测目标的可能性。这使我们能够记录我们从系统中接收到的光量的微小变化，以及这种变化如何随着行星的轨道相位而变化。对于一颗靠近恒星的行星，我们可以记录该行星反射的恒星光量。因为这与反射表面的属性有关，这样我们就可以讨论行星表面的温度，大气的存在，甚至是云的循环。

JWST可以对系外行星的大气进行光谱学研究，JWST将对许多CHEOPS研究过的大气进行深入研究。

地球轨道上的CHEOPS插图。(图片来源:欧空局/ ATG媒体实验室)

据欧空局称，CHEOPS是欧空局小型科学计划的第一个任务，于2012年10月选定，并于2014年2月实施。

该任务于2014年7月进入实施阶段，其费用预计为5000万欧元。CHEOPS的开发随着卫星系统从现有飞行测试产品的改进而快速进行。

这个棱柱形的航天器是由西班牙空中客车防务航天公司制造的。主光学仪器安装在主体顶部，航天器的侧面装饰有三块安装在机身上的太阳能电池板，从太阳获取能量。这有助于支持CHEOPS的电池为卫星的仪器提供连续60瓦的功率，可以在短时间内增加到70瓦。

防止CHEOPS过热并保护其免受太阳直射，是一个固定的遮阳板，连接到中央太阳能电池板。在飞船的底部是其推进模块推进器和S-band-Z天线，帮助它每天向地球发送1.2千兆字节的数据。

继2019年12月发射后，CHEOPS望远镜的盖子于2020年1月29日被移除，并于当年2月7日对宇宙进行了首次观察，或称“第一缕光”，放大了恒星HD 70843。ESA选择了这颗黄白色的恒星，它距离地球约150光年，因为它的亮度和它在天空中的位置使它成为测试目的的理想选择。

一位艺术家描绘了WASP-189b行星围绕其炽热的蓝星运行。(图片来源:欧空局)

CHEOPS携带单个中等大小的12英寸(300毫米)有效孔径3.9英尺(1.2米)长的Ritchey-chrétien望远镜(RCT)，具有超高的光度精度。在望远镜的焦平面上有一个电荷耦合器件(CCD)。探测器、辅助电子设备、望远镜、后端光学系统、仪器计算机和热调节硬件统称为CHEOPS仪器系统(CIS)。

Las Cumbres天文台解释说, CHEOPS的光度学通过它存储的电子数来计算入射到CCD像素上的光子数，电子越多表明光子越多，因此物体越亮。这意味着这是一种测量恒星亮度变化的好方法，这种变化可能是由过境的系外行星带来的。

一次典型的CHEOPS对一颗恒星的观察持续大约48小时。该任务产生的图像故意非常模糊，望远镜故意将散焦光传输到CCD。

这样做是为了让每颗星星的光分布在许多像素上。具有讽刺意味的是，这使得星光的测量更加精确，因为这意味着该仪器对光的个体像素响应的微小差异远不敏感。这也使得RCT不那么容易受到指向变化的影响。

CHEOPS的轨道和刚性光学平台安装允许RCT仪器以高精度指向目标物体，同时确保目标在CCD探测器上尽可能小地移动。保持在严格的界限内有助于确保测量到的光线变化是系外行星凌日的结果，而不是望远镜运动的变化。

帮助CHEOPS保持稳定的是高度和轨道控制系统(AOCS)，它确保卫星的一个轴总是朝向地球。飞船本身围绕RCT的视线旋转，以保持仪器始终指向深空，这也意味着CCD探测器被动地保持在零下40华氏度(零下40摄氏度)左右的温度。

2019年12月发射前，伯尔尼大学新闻发布会上展出的CHEOPS卫星的复制品。(图片来源:Robert Lea)

在CHEOPS第一次用隐喻的眼光观察宇宙后不久，这颗卫星就开始传递非凡的结果。

2020年9月，来自CHEOPS的第一批发现揭示了一颗先前发现的系外行星，欧空局将其描述为迄今为止已知的最热、最极端的系外行星之一，名为WASP-189 b的“超热木星”。

WASP-189 b最初发现于2018年，距离其母星的距离是地球到太阳距离的20倍，仅用2.7个地球日就完成了一个轨道。该系统立即引起了天文学家的兴趣，因为它是迄今为止发现的最亮的热木星，可以在它的恒星前面看到。

CHEOPS在2022年1月发现了另一颗具有极端特征的系外行星，当时它发现了一颗形状像足球的系外行星，仅在一个地球日内围绕其母星运行。WASP-103b行星位于武仙座，由于自身和其宿主恒星WASP-103之间的强大潮汐力而变形，WASP-103几乎是太阳的两倍。这是第一次探测到系外行星的变形，因此，它为天文学家提供了关于以非常近的距离围绕其恒星运行的行星内部结构的新见解。

尽管其重点是太阳系外的行星，但CHEOPS也在我们自己的行星系统内取得了一些重要的发现。2023年初，天文学家发现光线被矮行星夸欧尔周围的光环遮挡。由于太暗而无法用任何其他方法发现，这个环是不寻常的，因为它距离其母体比以前认为的可能的环系统远几倍，并且可能改变我们的环形成理论。

一位艺术家描绘了正在研究系外行星的CHEOPS卫星。(图片来源:欧空局/ATG媒体实验室)

CHEOPS是系外行星的第一步表征工具，这意味着它研究行星及其大气层，然后确定哪些是黄金目标，可以由JWST和其他比CHEOPS本身更强大的望远镜跟踪，如即将推出的极大望远镜(ELT)。

“我们相信它的高精度和灵活性，CHEOPS可以充当其他仪器和Webb之间的桥梁，因为这个强大的望远镜需要潜在有趣观测目标的精确信息，”伯尔尼大学天体物理学荣誉退休教授兼CHEOPS联合会主席威利·本茨在一份声明中说。“CHEOPS可以传递这些信息，从而优化Webb的运营。”

在CHEOPS将这些目标传送到JWST之前，首先必须对它们进行识别，欧空局的微型卫星在这方面也有所帮助。根据加州理工学院的说法，为CHEOPS提供临时目标的任务之一是美国宇航局的过境系外行星调查卫星(TESS)。TESS在行星穿过恒星表面时发现了它们，导致恒星的光输出下降。当TESS发现一颗潜在的系外行星时，CHEOPS就可以使用同样的技术来描述这颗系外行星及其系统的特征，但要研究更长时间。当TESS由于其恒星的一次过境而看到一颗潜在的行星时，CHEOPS甚至可以这样做，这是一次“单次过境”，表明它有一个长期的轨道，否则很难调查。

在2020年发表在皇家天文学会月刊上的一篇论文中，作者确定CHEOPS能够跟踪TESS发现的大约89%的单凌日，并且它可以发现大约70%的长周期轨道系外行星的额外凌日。加州理工学院补充说，CHEOPS可以验证TESS发现的长周期轨道行星，并收集这些行星的精确大小和质量测量值。这意味着奇奥普斯不仅仅是苔丝和JWST的中间人。

发射后，欧空局给予CHEOPS为期3.5年的科学操作寿命，目标是持续5年。2022年9月，CHEOPS卫星庆祝了其在太空中的第一个1000天以及超过100万分钟的观测时间，当时显示该卫星仍处于良好的工作状态。

“即使在轨道上运行了1000天，CHEOPS仍然工作得很好，只有很小的磨损迹象，这是由太阳发射的高能粒子造成的，”CHEOPS仪器科学家兼伯尔尼大学研究员Andrea Fortier在一份声明中说。“它将继续围绕地球执行任务，至少到2023年9月，但CHEOPS团队正在与欧洲航天局和瑞士航天局合作，将任务延长到2025年底，甚至可能更久。”

2023年3月7日，欧空局的科学计划委员会确认，CHEOPS将继续运行到2026年，并可能延长到2029年，这取决于国家捐助者和合作伙伴的持续承诺。

当CHEOPS最终停止运行时，该卫星将被欧空局另外两艘系外行星调查船取代，即行星凌日和恒星振荡(PLATO)和大气遥感红外系外行星大型调查(Ariel)。根据欧空局的说法，这两项任务都是未来十年的计划。

柏拉图将于2026年发射，并将研究和描述类地行星在其类太阳恒星的可居住区的特征，而Ariel将使用1000颗行星的样本研究系外行星的组成、形成和演化。Ariel计划不早于2029年发射。