TESS 衛星首度發現地球級適居行星及雙太陽行星

2020 年開年大紅！美國航太總署（NASA）宣布兩項重要發現：凌日行星搜尋衛星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）發現它的第一顆位在恆星適居區（habitable zone）內的地球級系外行星，以及它的第一顆繞著兩顆恆星公轉的環雙星系外行星。

TOI 700 d：TESS 發現的第一顆地球級適居行星

TEES 發現的第一顆位在恆星適居區的地球級系外行星編號為 TOI 700 d（見首圖），意味著如果該行星上有水的話，能以液態水的形態存在於行星表面。TESS 發現該行星之後，天文學家另用史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）和電腦模擬方式確認該行星的潛在環境，以便能協助訂定未來的觀測方向。此外，TOI 700 d 也是少數已知的地球級系外行星，不過其他的除 TRAPPIST-1 外，皆由克卜勒太空望遠鏡（Kepler Space Telescope）發現。

TOI 700 是一顆 M 型紅矮星，距離約 100 光年，位在南天的劍魚座（Dorado）方向，質量和半徑都僅約太陽的 0.4 倍，表面溫度則僅約太陽的一半，TESS 於這顆恆星旁發現 3 顆凌日行星。由於先前對 TOI 700 恆星大小估計錯認為與太陽差不多，導致估計出的 TOI 700 d 比真實大小還大且熱；後來這個錯誤修正後，更新了 TOI 700 d 的參數，方才發現 TOI 700 d 落在該恆星的適居區中，且大小與地球相仿。且在長達 11 個月的 TESS 觀測資料中，TOI 700 都沒有閃焰爆發的現象，顯示 TOI 700 d 環境相當單純、穩定而適宜居住，讓天文學家能更容易地模擬出它的大氣和表面狀況。

該系統中的最內側行星 TOI 700 b 大小幾乎與地球相同，很可能也是岩質行星，繞其母星公轉一週約僅 10 天。而中間的 TOI 700 c 比地球大了約 2.6 倍，大約介在地球和海王星之間，公轉週期約 16 天，可能是一顆氣態行星。最外側的 TOI 700 d 是 bcd 這 3 顆行星中唯一落在適居區中的，直徑約比地球大 20%，公轉週期約 37 天，應該也是一顆岩質行星，收到其母星的輻射量約為地球收到太陽輻射量的 86%。

天文學家認為這 3 顆行星都被其母恆星潮汐鎖定，意味著其自轉週期和公轉週期一樣長，會始終以同一面面對其母恆星，所以即使 TOI 700 d 是地球級適居行星，它大氣中的雲系形成和風的形態都與地球截然不同。其中一項電腦模擬認為 TOI 700 d 如果有海洋的話，應該與火星早期狀況類似，擁有濃厚且主要為二氧化碳的大氣；另一項電腦模擬結果則認為 TOI 700 d 應該類似完全沒有雲、完全顯露地表狀況的地球，風則從背對恆星的夜晚面吹向面對恆星的白晝面。這些猜測，未來如果能精細觀測到這顆大氣的光譜，就可以確定它的真實狀況。

TOI 1338 b：TESS 發現的第一顆環雙星系外行星

一位參與 NASA 哥達德太空中心（Goddard Space Flight Center）暑期實習計畫的高三學生 Wolf Cukier 在檢驗一批 TESS 的食雙星資料時，突然發現其中一個系統 TOI 1338 發生「食」的時間不對，後來經天文學家 Veselin Kostov 等人確認其實是一顆行星繞著這對雙星造成的。這是 TESS 觀測中，第一個發現同時繞著兩顆恆星公轉的系外行星，即所謂的環雙星系外行星（circumbinary planet），編號為 TOI 1338 b。

TOI 1338 系統距離約 1,300 光年，位在南天的繪架座（Pictor）方向。兩顆恆星約每 15 天互繞一週，其中主星的質量比太陽大 10%，另一顆伴星則比較冷、比較暗，質量只有太陽三分之一而已。這個系統內目前僅發現 TOI 1338 b 一顆行星，質量約地球的 6.9 倍，約介在海王星和土星之間，它繞雙星公轉的軌道平面就在雙星互轉軌道平面上，所以從地球的方向看過去，這兩顆恆星會因互相遮蔽而發生互食（eclipse）現象的同時，當 TOI 1338 b 經過兩星前方時，也各會發生凌日（transit）現象，食和凌都會造成總亮度減低。

不過，兩恆星互食的週期和亮度降低程度都很規律而容易觀測，但由於兩顆恆星和行星都在動，TOI 1338 b 凌日就沒有那麼規律，介在 93~95 天之間，且亮度降低的程度和持續時間也都不盡相同，比較難觀測。不過因為雙星中的伴星太暗，目前 TESS 觀測到的 TOI 1338 b 凌日都發生在主星。根據以往觀測資料所進行的電腦模擬結果，TOI 1338 b 的軌道至少在未來 1,000 萬年內都相當穩定。

克卜勒任務和其 K2 任務之前已經在 10 個系外行星系統中發現 12 顆環雙星系外行星，狀況全都與 TOI 1338 b 類似。一般雙星觀測比較偏向於發現大型行星，小型行星凌日時對恆星亮度的影響力則不大，但 TESS 在任務頭兩年觀測了數十萬組食雙星系統，以量取勝，因此未來必定還有許多環雙星行星等待被發現。