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可愛的任務：創新的設計使得從一個小包裝中觀測極端係外行星成為可能

发表于 2025-11-02 18:50:25 来源：一貧如洗網

藝術家對在軌可愛任務的構想。自2021年9月以來，CUTE一直在560公裏的太陽同步軌道上運行。圖片:uux.cn/美國國家航空航天局
（神秘的地球uux.cn）據美國宇航局：在迄今發現的大約5500顆係外行星中，許多行星的軌道非常靠近其母星。這些近距離行星提供了一個獨特的機會來詳細觀察對我們太陽係的發展和演變至關重要的現象，包括大氣質量損失和與主恒星的相互作用。美國國家航空航天局於2021年9月發射的科羅拉多州紫外線過境實驗（CUTE）任務采用了一種新的設計，首次使用小型航天器探索這些過程。CUTE提供了獨特的光譜診斷方法，可以追蹤近距離超高溫巨型行星的逃逸大氣層。此外，CUTE的專用任務架構使測量持續時間能夠表征這些星球上的大氣結構和可變性。
大氣逃逸是一個影響許多行星的結構、組成和演化的基本過程。它已經在我們太陽係的所有類地行星上運行過，並且很可能推動了以美國國家航空航天局開普勒任務為特征的短周期行星人口統計。事實上，在預測溫帶類地係外行星的宜居性時，大氣逃逸最終可能是決定性因素。2003年，在氫萊曼-阿爾法線（121納米）首次觀測到逃逸的係外行星大氣。然而，由於中間星際介質和地球高層大氣中的中性氫汙染，對大多數係外行星進行高質量的萊曼-阿爾法淩日測量非常具有挑戰性。相比之下，主星的近紫外線（NUV；250–350nm）通量比萊曼-阿爾法高兩到三個數量級，可以根據更平滑的恒星表麵強度分布來測量過境光曲線。
這一知識促使科羅拉多大學大氣和空間物理實驗室的凱文·弗朗斯博士領導的團隊設計了這個可愛的任務（圖2）。該團隊於2016年2月通過ROSES/天體物理研究和分析（APRA）項目向美國國家航空航天局提出了CUTE概念，美國國家航空航天局於2017年7月資助了該項目。CUTE儀器率先在一個小型太空任務中使用了兩種技術:一種新穎的矩形卡塞格倫望遠鏡（20厘米×8厘米主鏡）和一種微型低分辨率攝譜儀，工作波長約為250-330納米。矩形望遠鏡的製造是為了適應6U立方體衛星外形的獨特儀器體積，這種調整提供了大約三倍於傳統圓形孔徑望遠鏡的收集麵積。緊湊的攝譜儀滿足任務的光譜分辨率要求，同時使用從哈勃太空望遠鏡改編的按比例縮小的組件技術。
可愛的任務：創新的設計使得從一個小包裝中觀測極端係外行星成為可能

圖2–安裝在航天器總線上的CUTE科學儀器圖像，包括矩形望遠鏡和小型化攝譜儀。致謝:uux.cn/可愛團隊，科羅拉多大學
這種新穎的儀器設計使CUTE能夠以與大型任務類似的精度測量NUV，即使在立方體衛星經曆的更具挑戰性的熱和指向環境中。此外，CUTE儀器的NUV帶通使其能夠測量地麵儀器無法到達的高度擴展的大氣層中的鐵和鎂離子。可愛的科學儀器被納入6U藍峽穀技術公司的航天器總線，該總線提供電源、命令和數據處理、姿態控製和通信。這個立方體衛星平台使CUTE能夠觀測到某個行星的多次淩日。來自CUTE儀器的光譜圖記錄在紫外優化的商用現成電荷耦合器件（CCD）上，進行機載數據處理，並將數據產品轉發到科羅拉多大學的地麵站。
可愛的任務：創新的設計使得從一個小包裝中觀測極端係外行星成為可能

圖3-研究生Arika Egan（中）和電氣工程師Nicholas DeCicco（左）在範登堡太空部隊基地將CUTE安裝到LANDSAT-9二級有效載荷分配器中。致謝:uux.cn/可愛團隊，科羅拉多大學
CUTE於2021年9月27日作為美國國家航空航天局LANDSAT-9任務的二級有效載荷發射到560公裏遠地點的太陽同步軌道。發射後大約兩個小時，CUTE從有效載荷分配器中展開（圖3），然後展開太陽能電池陣列。業餘無線電界在第一條軌道上發現了航天器信標信號，並於第二天與科羅拉多大學的地麵站建立了通信。航天器和儀器的在軌調試於2022年2月結束，自那時以來，該任務一直在進行科學操作。
截至2024年2月，CUTE正在積極獲取科學和校準數據（圖4），並觀察到7個不同係外行星係統的6至11次淩日。數據下行效率是限製任務過程中觀察到的目標數量的主要因素。可愛的光變曲線和過境光譜揭示了一些行星上延伸的NUV大氣（圖5）和其他行星大氣傳輸光譜中潛在的時間可變性。例如，對超熱係外行星木星WASP-189b的觀測表明大氣層高度擴展。觀察到鎂離子在引力作用下不受行星束縛，這是該係統中重元素主動逃逸的證據。可愛的數據由美國國家航空航天局係外行星科學研究所存檔。
可愛的任務：創新的設計使得從一個小包裝中觀測極端係外行星成為可能

上圖:在紫色背景下，從左到右描繪了一條近乎直線的圖形。底部:x軸表示波長，y軸表示通量；一條藍色的線從左到右向下彎曲。圖4-來自CUTE的飛行數據顯示了原始CCD觀測值（上圖）和校準後的一維光譜（下圖）。圖片來源:uux.cn/法國等（2023年）
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該圖以藍色顯示光學數據，以黑色顯示第1次訪問的NUV數據，以綠色顯示第2次訪問的數據，以粉色顯示第3次訪問的數據。大多數數據點從左到右落在一條直線上，除了在軌道相位0時有一個明顯的下降。圖5-超熱係外行星木星WASP-189b可愛的NUV過境光曲線。這條光變曲線是由三次單獨的行星淩日形成的。圖片來源:uux.cn/Sreejith等人（2023年）
CUTE成功地展示了非圓形望遠鏡和微型攝譜儀設計在小型空間飛行任務中的應用，這種方法隨後被一些美國國家航空航天局和國際飛行任務設計所采用，包括美國國家航空航天局新的利用紫外成像和光譜從附近恒星監測活動（螳螂）任務。CUTE對低於1% NUV精度的演示表明，大型紫外天文任務所達到的精度也可以通過立方體衛星實現。此外，學生培訓和早期職業指導是可愛計劃成功的關鍵因素。到目前為止，已有20多名早期職業學生和專業人士培訓並參與了可愛的活動——從科學到工程再到運營。
項目負責人
科羅拉多大學大氣和空間物理實驗室Kevin France教授
讚助組織
天體物理學部天體物理學研究和分析計劃

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