“潘多拉”上天，有望打开什么“盒子”？

1月11日，SpaceX公司的猎鹰9火箭裹挟着烈焰升空，将美国宇航局天体物理学开拓者计划中的首颗卫星“潘多拉”送入预定轨道。这颗看似小巧的卫星承载着人类探索宇宙的雄心，开启了为期一年的系外行星探索之旅，旨在为人类打开一扇通往系外行星奥秘的大门，解开宇宙中是否存在其他宜居世界的关键谜题。

为系外行星观测去噪

自1995年首颗系外行星被发现以来，人类已经在宇宙中找到超过6000颗系外行星。科学家想要了解它们的大气层中是否存在水、氧气等与生命相关的化学物质，但这些行星距离地球动辄数十甚至数百光年，且亮度仅为宿主恒星的数百万到数十亿分之一，观测难度极大，潘多拉任务就是要帮助科学家摆脱这一困境。

潘多拉任务概念图

当行星从恒星前方经过时，恒星的光线会穿过行星大气层，大气中的物质会吸收特定波长的光，留下独特的光谱。通过分析光谱，天文学家本应能够推断出行星大气的成分，但现实情况是，恒星并非完美的均匀光源，其存在类似太阳黑子的暗区和谱斑状的亮区，这些区域会随恒星自转不断变化，导致光谱出现波动。

更棘手的是，部分恒星的外层大气中含有水蒸气等物质，其信号与行星大气信号极易混淆，形成凌日光源效应。这就像在摇曳的烛光下判断红酒品质，无法获得准确结论。

为此，“潘多拉”将通过长时间、多波段的协同观测，分离系外行星与宿主恒星的大气信号，精准识别行星大气中的化学成分。它将对至少20颗已发现的系外行星及其宿主恒星进行重点观测，每颗目标将被回访10次，每次观测持续24小时，累计为每个系统提供超过200小时的观测数据。这些目标行星大多由美国宇航局的凌日系外行星巡天卫星“苔丝”发现，涵盖了不同大小和轨道类型，其中不少行星是潜在宜居候选者。

除了核心的系外行星大气研究，“潘多拉”还将为其他科学探索提供支持。它的观测数据将与韦布太空望远镜的短时长红外测量形成互补，帮助科学家更精准地解读韦布的观测结果。同时，对恒星表面活动进行持续监测，也能为研究恒星演化、恒星与行星的相互作用提供宝贵数据。

低成本技术革新

作为美国宇航局天体物理学开拓者计划的首个发射任务，“潘多拉”最引人瞩目的亮点，是以2000万美元的低成本实现了传统大型太空望远镜的核心功能，为小型卫星的科学应用树立了典范。

潘多拉卫星的“眼睛”是一台名为CODA的全铝制望远镜，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室与康宁公司联合研发，口径达45厘米。传统太空望远镜的主镜多采用玻璃或碳纤维材料，加工周期长、成本高昂，而铝合金材料不仅轻量化，还具有加工难度低、热稳定性好的优势。

更重要的是，CODA望远镜采用了标准化核心组件设计，支持快速重构以适配不同任务需求，其前端光学系统已通过多次技术验证实现成熟化，潘多拉任务团队仅需定制中继系统，就完成了高性能观测设备的研发。

在探测器方面，“潘多拉”充分复用了现有的成熟资源，实现了低成本与高精度的平衡。它的近红外探测器是韦布望远镜的备用设备，“潘多拉”复用这一组件，既保证了观测数据的可靠性，又省去了新探测器的研发周期和成本。

同时，望远镜还配备了高分辨率可见光探测器，具有可见光、近红外多波段观测能力。可见光波段用于实时监测恒星表面亮暗区域变化，近红外波段用于捕捉行星大气的光谱，两者数据实时融合，就能有效排除恒星活动的干扰，锁定行星大气的真实信号。

为了实现长时间稳定观测，“潘多拉”被送入太阳同步轨道。在这里，卫星每天会在同一时间经过地球表面的同一地点，且太阳始终位于卫星后方，最大限度减少了光照变化对观测设备的影响，确保观测环境的稳定性。此外，太阳同步轨道的覆盖范围广，能满足“潘多拉”对不同天区目标的观测需求，为持续24小时的长曝光观测提供理想条件。

小卫星撬动大宇宙

“潘多拉”预计于2026年2月正式启动科学观测，在未来一年的观测期内，其有望在多个关键领域取得突破性成果，为系外行星研究乃至整个天体物理学领域带来认知革新。

“潘多拉”能够精准刻画系外恒星表面活动的变化规律，包括黑子的形成、演化和消散，亮区的移动轨迹等，建立恒星光谱的动态基线。当行星凌日发生时，它将同时记录可见光和近红外数据，通过算法将恒星信号从混合光谱中剥离，最终得到纯粹的行星大气光谱。科学家将借此明确哪些行星大气中确实存在稳定的水蒸气、氧气、氢等物质，帮助人类锁定真正有潜力存在生命的系外行星。此外，对比不同类型行星的大气成分，还能为研究行星的形成和演化提供关键线索。

恒星不仅是行星的光源，更是影响其宜居性的关键变量。恒星耀斑爆发时释放的高能粒子和辐射，可能会剥离行星的大气层。恒星表面的磁场活动、黑子周期等，会改变行星的光照强度和表面温度。甚至恒星大气中的物质喷发，也可能对行星大气成分产生影响。但由于缺乏长期连续的观测数据，人类对恒星与行星相互作用的理解仍十分有限。

“潘多拉”将通过对恒星活动的长期监测，填补这一研究空白。它将记录系外恒星耀斑、黑子周期、磁场活动等关键参数的变化，同时捕捉行星大气信号的对应波动，建立两者之间的关联模型。例如，当恒星发生强耀斑时，行星大气中的氧气、氮气是否会发生电离反应？恒星黑子的周期性变化是否会导致行星大气温度的规律性波动？这些数据将帮助科学家更全面地评估行星的宜居性。

此外，“潘多拉”的观测还将为恒星演化研究提供宝贵数据。通过对不同类型恒星表面活动的对比分析，科学家能够更深入地理解恒星的能量输出机制、磁场演化规律，进而完善恒星演化理论。

在“潘多拉”之前，太空观测领域长期被高成本旗舰任务主导：韦布望远镜的总成本超过100亿美元；哈勃空间望远镜的研发和运维费用累计超过60亿美元。这些任务虽然成果丰硕，但数量有限、周期漫长，难以满足多样化的科学研究需求。而潘多拉卫星实现了与旗舰任务互补的高价值科学目标，证明了小卫星、低成本模式的可行性和潜力。

“潘多拉”这颗重量不足一吨的小卫星，以创新的技术、高效的模式和坚定的科学目标，向遥远的系外行星发起挑战。虽然任务周期仅有一年，但它不仅能够帮助人类更精准地寻找宜居行星、探索生命起源的终极问题，更能推动太空科学进入低成本、高效率、广覆盖的新时代。

来源/《中国航天报•飞天科普周刊》，原标题《“潘多拉”上天，有望打开什么“盒子”？》

文/梁雷

编辑/靳晴 苗珊珊

审核/贺喜梅

监制/索阿娣

本文转载自公众微信号：中国航天报

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