怎样在家发现系外行星：NASA TESS 真实数据入门指南
已知的 6,000 多颗太阳系外行星，大多数从未被直接看到过。人们发现它们，是因为注意到一颗恒星一次又一次地轻微变暗：那是一颗行星从它前方经过。这就是凌星法，而它用到的数据是公开的。只要有浏览器和一点耐心，你就能在专业天文学家使用的同一批观测数据里寻找行星。
这篇指南用我们的行星猎人里的真实恒星，一步步讲解凌星搜寻是怎么进行的。
数据从哪里来：NASA 的 TESS
NASA 的凌星系外行星巡天卫星（TESS）于 2018 年 4 月发射。它每次盯住一条 24°×96° 的天区约 27 天（称为一个“扇区”），然后转向下一条。对几十万颗选定的恒星，它每两分钟记录一次亮度。每颗恒星得到的结果就是一条光变曲线：亮度随时间变化的图。
这些数据全部通过 NASA 的 MAST 档案库向公众开放。TESS 已经标记出数千个可能的行星，称为 TESS 关注天体（TOI），其中已有数百颗得到确认。还有更多信号躺在数据里，等着有人去看。
行星造成的变暗有多大？
行星从恒星前方经过时，挡住的恒星圆面比例等于两者面积之比，即（行星半径 / 恒星半径）²。这能让你对要找的东西有个概念：
- 一颗木星挡在类太阳恒星前：变暗约 1%。
- 一颗地球挡在类太阳恒星前：约 0.008%（百万分之 84）。
- 一颗小行星挡在一颗小红矮星前：深得多，因为恒星本身很小。这就是为什么 TESS 发现的很多小行星都绕着红矮星转。
行星猎人里的行星覆盖了整个范围：从 WASP-18 b，一颗变暗约 1%、每 22.6 小时出现一次的巨行星，到 π Mensae c，TESS 公布的第一颗行星，它的凌星让明亮的主星变暗不到 0.03%。
第一步：找到重复出现的变暗
真实的光变曲线充满噪声。恒星会闪烁，航天器会抖动，每一次测量都有一点误差。单独一次变暗什么也证明不了。你要找的是重复出现、每次深度和时长都相同的变暗。
在行星猎人里，你可以标出看到的每一次变暗。有了两三次之后，它们之间的间隔应该都是同一个数的整数倍：那就是行星的公转周期。绕红矮星运行的岩石行星 LHS 3844 b 只要 11 小时就转一圈，所以一个 27 天的扇区里能看到它几十次凌星。
第二步：把光变曲线折叠起来
知道周期后，就可以把光变曲线按一个周期长度切成一段段，叠放在一起。这叫相位折叠。如果周期正确，所有凌星会对齐，原本埋在噪声里的微弱变暗会突然清晰地显现出来；如果周期不对，变暗就会被抹平。天文学家正是靠折叠，找到那些浅到肉眼在原始数据中根本看不出来的行星。
第三步：从变暗中读出行星
折叠后的凌星能告诉你很多信息：
- 深度给出行星相对恒星的大小。知道恒星的半径，就能算出行星的半径。
- 时长取决于轨道大小和恒星大小：离恒星远的行星走得慢，穿过恒星圆面需要更长时间。
- 形状也很重要：行星造成的是平底、边缘倾斜的变暗，因为它会有一段时间完全位于恒星圆面之内。
第四步：确认那不是两颗恒星
最常见的“冒充者”是食双星：两颗互相绕转的恒星轮流挡住对方的光。警示信号包括：
- 变暗是 V 形的，而不是平底的。
- 相邻两次变暗的深度不同（奇数次和偶数次对不上），因为两颗恒星不一样。
- 两次主要变暗的正中间还有一次较小的第二次变暗，那是较亮的恒星挡住了较暗的那颗。
- 变暗深得不像行星：一颗行星挡住类太阳恒星的光，不会超过百分之几。
不过，食双星也不全是坏消息。2020 年，17 岁的 NASA 实习生沃尔夫·丘基尔（Wolf Cukier）正在“行星猎人 TESS”的数据里检查这类双星，也就是 TOI-1338 这一对，他注意到一次对不上的额外变暗。结果那是 TOI-1338 b，一颗约为地球 6.9 倍大、同时绕着两颗恒星转的行星。你可以在行星猎人里研究同一个系统。
第五步：它是不是已经被发现了？
先别急着庆祝，查一查这颗恒星是否已经有 TOI 编号或已确认的行星。行星猎人会帮你把找到的周期和 NASA 的目录做比对。如果和已知的都对不上，你可能真的发现了一个新的候选体。参与 Zooniverse 上“行星猎人 TESS”项目的志愿者已经找到了许多这样的候选体，其中一些已被确认为行星。
试一次真正的搜寻
行星猎人里的十颗练习恒星都是已知的系统，所以你可以核对答案。准备好之后，真实搜寻模式会直接从 NASA 档案库载入最新 TESS 扇区的光变曲线。其中大部分信号还没有人仔细看过。
打开行星猎人，从 WASP-18 b 开始，看看你能找到多浅的变暗。
常见问题
业余爱好者真的能发现系外行星吗？ 能。TESS 和开普勒的数据都是公开的，“行星猎人 TESS”等项目的志愿者找到过一些后来被专业天文学家确认的行星候选体，其中就包括绕双星运行的 TOI-1338 b。
什么是光变曲线？ 一颗恒星亮度随时间变化的图。行星从恒星前方经过时，会表现为一次小小的、重复出现的变暗。
TESS 能发现多小的行星？ TESS 已经发现过比地球还小的行星，主要绕着附近的小红矮星运行，因为在那里，地球大小的行星能挡住更大比例的星光。
为什么大多数凌星行星的轨道都很短？ 因为在 TESS 盯住一块天区的短短几周里，行星至少要从恒星前经过两次，最好更多。近距离的行星凌星很频繁；轨道周期一年的行星，通常最多只会留下一次变暗。
亲自探索： 行星猎人 · 第二地球 · 3D 系外行星与银河系 · 恒星有多大？
资料来源
- Ricker et al. (2015), Transiting Exoplanet Survey Satellite, JATIS 1, 014003. doi:10.1117/1.JATIS.1.1.014003
- Kostov et al. (2020), TOI-1338: TESS's First Transiting Circumbinary Planet, AJ 159, 253. doi:10.3847/1538-3881/ab8a48
- NASA, NASA's TESS Mission Uncovers its 1st World with Two Stars (2020): Wolf Cukier's discovery. nasa.gov
- Huang et al. (2018), TESS Discovery of a Transiting Super-Earth in the Pi Mensae System, ApJL 868, L39. doi:10.3847/2041-8213/aaef91
- Vanderspek et al. (2019), TESS Discovery of an Ultra-short-period Planet around the Nearby M Dwarf LHS 3844, ApJL 871, L24. doi:10.3847/2041-8213/aafb7a
- NASA Exoplanet Archive and MAST (Mikulski Archive for Space Telescopes). exoplanetarchive.ipac.caltech.edu · archive.stsci.edu
凌星深度按（行星半径 / 恒星半径）² 计算，取地球 6,371 公里、木星 69,911 公里、太阳 695,700 公里。行星猎人中各恒星的周期和深度是在其 TESS 光变曲线中测得的数值。