“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，將美國宇航局天體物理學開拓者計劃中的首顆衛星“潘多拉”送入預定軌道。這顆看似小巧的衛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鍵謎題。

為系外行星觀測去噪

自1995年首顆系外行星被發現以來，人類已經在宇宙中找到超過6000顆系外行星。科學家想要了解它們的大氣層中是否存在水、氧氣等與生命相關的化學物質，但這些行星距離地球動輒數十甚至數百光年，且亮度僅為宿主恒星的數百萬到數十億分之一，觀測難度極大，潘多拉任務就是要幫助科學家擺脫這一困境。

潘多拉任務概念圖

當行星從恒星前方經過時，恒星的光線會穿過行星大氣層，大氣中的物質會吸收特定波長的光，留下獨特的光譜。通過分析光譜，天文學家本應能夠推斷出行星大氣的成分，但現實情況是，恒星并非完美的均勻光源，其存在類似太陽黑子的暗區和譜斑狀的亮區，這些區域會隨恒星自轉不斷變化，導致光譜出現波動。

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

為此，“潘多拉”將通過長時間、多波段的協同觀測，分離系外行星與宿主恒星的大氣信號，精準識別行星大氣中的化學成分。它將對至少20顆已發現的系外行星及其宿主恒星進行重點觀測，每顆目標將被回訪10次，每次觀測持續24小時，累計為每個系統提供超過200小時的觀測數據。這些目標行星大多由美國宇航局的凌日系外行星巡天衛星“苔絲”發現，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”還將為其他科學探索提供支持。它的觀測數據將與韋布太空望遠鏡的短時長紅外測量形成互補，幫助科學家更精準地解讀韋布的觀測結果。同時，對恒星表面活動進行持續監測，也能為研究恒星演化、恒星與行星的相互作用提供寶貴數據。

低成本技術革新

作為美國宇航局天體物理學開拓者計劃的首個發射任務，“潘多拉”最引人矚目的亮點，是以2000萬美元的低成本實現了傳統大型太空望遠鏡的核心功能，為小型衛星的科學應用樹立了典范。

潘多拉衛星的“眼睛”是一臺名為CODA的全鋁制望遠鏡，由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室與康寧公司聯合研發，口徑達45厘米。傳統太空望遠鏡的主鏡多采用玻璃或碳纖維材料，加工周期長、成本高昂，而鋁合金材料不僅輕量化，還具有加工難度低、熱穩定性好的優勢。

更重要的是，CODA望遠鏡采用了標準化核心組件設計，支持快速重構以適配不同任務需求，其前端光學系統已通過多次技術驗證實現成熟化，潘多拉任務團隊僅需定制中繼系統，就完成了高性能觀測設備的研發。

在探測器方面，“潘多拉”充分復用了現有的成熟資源，實現了低成本與高精度的平衡。它的近紅外探測器是韋布望遠鏡的備用設備，“潘多拉”復用這一組件，既保證了觀測數據的可靠性，又省去了新探測器的研發周期和成本。

同時，望遠鏡還配備了高分辨率可見光探測器，具有可見光、近紅外多波段觀測能力。可見光波段用于實時監測恒星表面亮暗區域變化，近紅外波段用于捕捉行星大氣的光譜，兩者數據實時融合，就能有效排除恒星活動的干擾，鎖定行星大氣的真實信號。

為了實現長時間穩定觀測，“潘多拉”被送入太陽同步軌道。在這里，衛星每天會在同一時間經過地球表面的同一地點，且太陽始終位于衛星后方，最大限度減少了光照變化對觀測設備的影響，確保觀測環境的穩定性。此外，太陽同步軌道的覆蓋范圍廣，能滿足“潘多拉”對不同天區目標的觀測需求，為持續24小時的長曝光觀測提供理想條件。

小衛星撬動大宇宙

“潘多拉”預計于2026年2月正式啟動科學觀測，在未來一年的觀測期內，其有望在多個關鍵領域取得突破性成果，為系外行星研究乃至整個天體物理學領域帶來認知革新。

“潘多拉”能夠精準刻畫系外恒星表面活動的變化規律，包括黑子的形成、演化和消散，亮區的移動軌跡等，建立恒星光譜的動態基線。當行星凌日發生時，它將同時記錄可見光和近紅外數據，通過算法將恒星信號從混合光譜中剝離，最終得到純粹的行星大氣光譜。科學家將借此明確哪些行星大氣中確實存在穩定的水蒸氣、氧氣、氫等物質，幫助人類鎖定真正有潛力存在生命的系外行星。此外，對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鍵線索。

恒星不僅是行星的光源，更是影響其宜居性的關鍵變量。恒星耀斑爆發時釋放的高能粒子和輻射，可能會剝離行星的大氣層。恒星表面的磁場活動、黑子周期等，會改變行星的光照強度和表面溫度。甚至恒星大氣中的物質噴發，也可能對行星大氣成分產生影響。但由于缺乏長期連續的觀測數據，人類對恒星與行星相互作用的理解仍十分有限。

“潘多拉”將通過對恒星活動的長期監測，填補這一研究空白。它將記錄系外恒星耀斑、黑子周期、磁場活動等關鍵參數的變化，同時捕捉行星大氣信號的對應波動，建立兩者之間的關聯模型。例如，當恒星發生強耀斑時，行星大氣中的氧氣、氮氣是否會發生電離反應？恒星黑子的周期性變化是否會導致行星大氣溫度的規律性波動？這些數據將幫助科學家更全面地評估行星的宜居性。

此外，“潘多拉”的觀測還將為恒星演化研究提供寶貴數據。通過對不同類型恒星表面活動的對比分析，科學家能夠更深入地理解恒星的能量輸出機制、磁場演化規律，進而完善恒星演化理論。

在“潘多拉”之前，太空觀測領域長期被高成本旗艦任務主導：韋布望遠鏡的總成本超過100億美元；哈勃空間望遠鏡的研發和運維費用累計超過60億美元。這些任務雖然成果豐碩，但數量有限、周期漫長，難以滿足多樣化的科學研究需求。而潘多拉衛星實現了與旗艦任務互補的高價值科學目標，證明了小衛星、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星，以創新的技術、高效的模式和堅定的科學目標，向遙遠的系外行星發起挑戰。雖然任務周期僅有一年，但它不僅能夠幫助人類更精準地尋找宜居行星、探索生命起源的終極問題，更能推動太空科學進入低成本、高效率、廣覆蓋的新時代。

來源/《中國航天報?飛天科普周刊》，原標題《“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

監制/索阿娣

本文轉載自公眾微信號：中國航天報

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