トランジット系外惑星探索衛星
トランジット系外惑星探索衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite, TESS)とは、NASAのエクスプローラー計画で打ち上げられた宇宙望遠鏡で、ケプラー宇宙望遠鏡の400倍の面積をトランジット法を用いて観測することで太陽系外惑星を探索することをミッションとする。ファルコン9ロケットに搭載されて2018年4月18日に打ち上げられ、公転周期が13.7日の地球周回軌道へ配置された。TESSのファーストライトは2018年8月7日に行われ、2018年9月17日に公表された。
TESSは、2年間の主ミッションの過程で、目標とされた恒星の周囲を公転してトランジットを起こす太陽系外惑星を約1250個、さらに最終的には観測領域内にある他の恒星の周囲を公転してトランジットを起こす太陽系外惑星を13,000個検出する見込みであった。2022年8月24日の時点で、TESSは5845の太陽系外惑星候補を発見し、そのうち234がこれまでに確認されている。2020年7月4日頃に主ミッションは終了したが、拡張ミッションに移行して引き続き観測を行っている。
2年間にわたるTESSの主ミッションの目的は、太陽系外惑星を発見するために、地球の近くに存在する明るい恒星を観測することである。TESSは、広視野カメラを使用して全天の85%に及ぶ観測を行う。TESSによって、ハビタブルゾーンに存在する岩石惑星を含む、小さな惑星の質量、大きさ、密度、軌道を調査することが可能である。TESSは、2021年打ち上げのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のみならず、将来の他の地上あるいは宇宙からの大型望遠鏡による更なる特性評価の対象となる天体も調査する。地上に設置された望遠鏡を使用した以前の観測では主に巨大な太陽系外惑星が発見され、ケプラー宇宙望遠鏡は主に遠くに存在する恒星の周囲を公転する惑星を発見したが、TESSは地球から近い恒星の周囲を公転する小さな惑星を多く発見する。TESSは、トランジットを起こす惑星を持つ近くて明るい主系列星を観測する。これは、詳細な調査を行う対象としては最も好ましいものである。
TESSの地球周回軌道は軌道離心率の高い楕円軌道であり、遠地点はほぼ月と同じ距離で近地点は108,000kmである。TESSは、月が地球の周囲を1周する間に、地球の周囲を2周する。これは、月と2:1の軌道共鳴となっており、軌道は最低10年間は安定すると予想されている。
Googleからのシードマネーを受けてマサチューセッツ工科大学が運用しており、2013年4月5日にNeutron Star Interior Composition Explorer(NICER)と共にNASAによって打ち上げに選ばれたことが発表された。
1990年代初頭以来、地上から、とりわけ宇宙からの観測施設では、一般に太陽以外の恒星の周囲を公転する太陽系外惑星の存在を間接的に検出することを可能にしてきた。
左の図:惑星のトランジットは、惑星が恒星と観測者の間に来るときに恒星の光度の低下を測定することに基づいている。この部分日食は通常数時間続く。 右の図:見かけの等級11の太陽に似た恒星のK2ミッション(ケプラー)での実装例。点は、推定光度の曲線に対して赤い線で実行された測定に対応する。この低下は、木星(1%)のサイズの惑星では非常に顕著であるが、地球のサイズの惑星をノイズと区別するのは困難である(0.01%)。計測器によって返される値の不規則性は、測定に影響を与えるさまざまなノイズ源(振動、ポインティングのわずかな変更、計測器のエラー、迷光など)が原因である。
太陽系外惑星を発見するために使用される主な方法は、惑星の通過信号(トランジット)を検出する方法である。惑星が主星の前を横切るときの主星の減光を測定することによって、惑星が検出され、その特性の一部(質量、直径)が推定される。この検出を行うには、いくつかの条件が満たされている必要がある。
信号の弱さを考えると、これは他の現象に対応する可能性がある。例えば、恒星の光度の自然変動、これまで発見されていない伴星によるものなどがある。信号の原因が惑星以外のものでないことを確認するために、少なくとも3回の連続したトランジットを観測・測定することが必要である。2回目のトランジットは公転周期の特定を可能にし、3回目のトランジットは信号の深度などを確認しながらこの特性を検証する。ただし、これらのチェックにもかかわらず、誤検出が依然として発生する可能性があり、通常フォローアップ観測が地上からの観測施設で行われる。
検出の成功は、その恒星に費やされた観測時間とその恒星の周りの惑星の公転周期に依存する。トランジットは軌道を1周するごとに1回だけ発生するため、数年の観測が必要になる場合がある。別の恒星から太陽を確認した場合、地球の確認には少なくとも3年間太陽を継続的に観測する必要がある。火星の場合は6年でなければならない。
信号の深度は非常に小さく、太陽のような恒星の周囲を公転する地球サイズの惑星の場合、約100ppmである。検出は、信号を高精度で測定する検出器の機能に依存している。
恒星の光度(見かけの等級)が高い場合、検出はさらに簡単になる。明るい恒星、つまり、近くまたは遠くにあるが非常に明るい恒星は、より簡単に検出できる。
信号の相対的な変化は、惑星のサイズとその恒星のサイズの比率に直接依存する。赤色矮星を中心に公転する惑星は、赤色巨星を中心に公転する惑星よりもはるかに簡単に検出できる。
トランジットが観測されるためには、太陽系外惑星の軌道面の向きが地球からの視線に平行でなければならない。この場合、統計的に惑星の約5%がそのような状況であるとされている(これは、体系的な調査によって5000個の惑星が発見された場合、理論的には他の宇宙領域から100000個が観測できることを意味する。
NASAのケプラー宇宙望遠鏡は、太陽系外惑星研究の分野で最も強力な機器であり、2009年から2014年の間に、トランジット法によって空のごく一部(0.29%)を恒久的に観測することにより、数千の太陽系外惑星を発見した。このミッションの利点は、同じ恒星を3年以上観測できるため、公転周期が最大1年(地球と同様)の惑星を検出できることである。欠点は、この限られた領域で観測される恒星が遠く離れていることが多く、平均して光度が低いことである。これにより、発見された小さなサイズの惑星(特に地球程度の大きさの惑星)のその後の観測は、地上からの望遠鏡や、ハッブル宇宙望遠鏡、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のような宇宙望遠鏡でははるかに困難になる。しかし、地球型の太陽系外惑星の研究は、太陽系の形成のメカニズムを研究する惑星科学者にとって非常に興味深いものである。TESSのミッションは、ケプラーのミッションとは大きく異なる。TESSは全天の恒星を観測するために設計されており、明るい恒星(ケプラーによって観測された恒星の30~100倍明るい)に焦点を合わせているため、地球型惑星を多く発見することができる。しかし、TESSによる全天の観測は、公転周期が平均してほんの数週間である惑星に制限される。
2005年、マサチューセッツ工科大学(MIT)とスミソニアン天体物理観測所(SAO)によってプロジェクトが最初に議論された。TESSの起源は個人、Google、およびカヴリ財団による民間資金からデザインが開発された2006年である。2008年には、MITがTESSを完全なNASAのミッションにするといったことを提案し、その提案をゴダード宇宙飛行センターのSMEXへ提出したが、承認されなかった。2010年にエクスプローラー計画のミッションとして再提出され、2013年4月にMedium Explorer missionとして承認された。TESSは2015年に最終設計審査(CDR)に合格し、製造の開始が可能となった。ケプラーの打ち上げ時の費用は6億4000万ドルであったが、TESSの費用はわずか2億ドル(さらに打ち上げには8700万ドル)であった。このミッションでは、恒星の定期的な光度の変化を観測することによって太陽系外惑星を発見する。TESSは、そのような太陽系外惑星を発見するために、太陽の近くに存在する20万個の明るい恒星を観測する。TESSは2018年4月18日にSpaceXのファルコン9ロケットに搭載されて打ち上げられた。
TESSは、全天においてトランジットを起こす太陽系外惑星の観測を行うよう設計されているが、このようなミッションは初めてである。4つの広角望遠鏡と関連するCCDイメージセンサ検出器が備え付けられている。観測データは2週間ごとに地球に送信される。有効露光時間が2時間のフルフレーム画像も送信されるため、ガンマ線バーストのような光学対応天体等、予期しない一時的な現象をとらえることも可能である。TESSはGuest Investigator programを伴っており、他の組織に所属する天文学者が自らの研究に使用することも可能となっている。これにより、更に20,000個の天体の調査が可能となる。
TESSは北半球と南半球共に遮るもののない画像を得るためにP/2と呼ばれる月と2:1の軌道共鳴を利用するが、これは以前まで使用されたことのない軌道である(ただし、IBEXは同様のP/3軌道を利用する)。このような長楕円軌道の遠地点は232000であり、摂動の影響を最小限に抑えるために月の位置から約90°離れた位置に配置される。この軌道は何十年も安定しているとされ、TESSに搭載されているカメラを安定した温度範囲に保つことができる。放射線による損傷を避けるために、軌道は完全にヴァン・アレン帯の外側にあり、軌道のほとんどはその遥か外側に位置している。TESSの軌道周期は13.7日で、67000の近地点に到達するごとにその間に観測したデータを約3時間かけて地球にダウンリンクする。
TESSの2年間の全天観測は、視等級が12より明るいスペクトル分類がG型、K型、M型の恒星を対象とする。1,000個の近い赤色矮星を含む約50万個の恒星が探索の対象となる。TESSは、地球程度のよりも大きく、公転周期が2ヵ月以内の、1000個から1万個の太陽系外惑星候補を発見することが期待されている。これらの候補は、後に自動惑星検出望遠鏡、高精度視線速度系外惑星探査装置、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)等によってさらに調査が行われる。ケプラーによって観測された領域の400倍の領域である、全天で最も近い1,000個の赤色矮星を含む約200,000個の恒星が対象となる。TESSは、500-1000個の地球サイズの惑星と、スーパー・アースを含む20,000個を超えるトランジットを起こす太陽系外惑星を発見すると予想されている。これらのうち、推定20個はハビタブルゾーン内を公転しているスーパー・アースである可能性がある。また、TESSによってほぼ1年間観測される領域では公転周期が最大120日の惑星も発見されると予想されている。ミッションで定められた目標は、少なくとも50個の地球サイズの惑星(最大で地球半径の4倍)の質量を決定することである。検出された太陽系外惑星のほとんどは、30-300光年離れていると予想されている。マサチューセッツ工科大学の開発チームは、最初の有人恒星間航行は、TESSによって発見された惑星になるだろうという楽観的な見解を示している。
観測領域は26に分割されており、各領域は24°×96°である。公転周期が長い太陽系外惑星に対する感度を高めるために、黄極付近は各領域が重なり合っている。TESSは、1つの領域の観測で13.7日の軌道を2周し、運用の1年目に南半球を、2年目に北半球を観測する。カメラは実際には2秒ごとに画像を撮影するが、全ての画像は保存またはダウンリンクできるよりも遥かに多くのデータ量が蓄積されている。これに対処するために、1回の軌道ごとに選択され取り除かれた約15,000個の恒星が2分間で追加され、ダウンリンク用に保存される。また、フルフレーム画像も30分間で追加され、ダウンリンク用に保存される。実際のデータのダウンリンクは、近地点の近くで13.7日ごとに行われる。これは、TESSが2年間全天の領域の85%を継続的に観測する中で、特定の部分が複数回観測されることを意味する。基本的に約1年(351日)にわたって継続的に観測される領域は全天の約5%を占める。JWSTで1年中いつでも観測が可能である領域(黄極付近)を含む。
2019年10月、ブレイクスルー・リッスンはTESSチームの天文学者と共同での調査を開始し、高度な地球外生命の兆候を探した。TESSによって発見された何千もの新しい惑星は、ブレイクスルー・リッスンの協力者の施設によってテクノシグニチャーについてスキャンされる。恒星のTESSによるモニタリングのデータについても異常がないかチェックされる。
TESSチームは、星震学について調査することも予定されている。星震学は、周波数スペクトルの解釈によって恒星の内部構造を研究する科学である。振動モードが恒星の内部の様々な深さまで到達する。ケプラーとPLATOも星震学の研究が意図されている。
27か月の延長ミッション期間中、データ収集の方法はわずかに変更される。
観測のターゲットとなる恒星が改めて選定された。
最初の2分のケイデンスは(1領域あたり20,000ターゲットの場合)は、20秒のケイデンス(1領域あたり1000ターゲットの場合)で拡張される。
フルフレーム画像の撮影が30分ごとから10分ごとに短縮される。
延長ミッションでは観測範囲の方向とその隙間はわずかに異なる。
黄道付近の領域も観測される。
TESS object of interest(TOI)は、TESSによる観測で周囲に太陽系外惑星が存在する可能性が示された恒星に与えられる天体カタログであり、TESSによって識別された惑星候補はリストされ、フォローアップ観測の対象となる。TOIのフォローアップ観測は、TESS Follow-up Observing Program(TFOP)というワーキンググループを主として行われている。
TOIはTESSチームによって割り当てられ、Community TOIs(CTOI)は独立した研究者によって割り当てられる。TESSの最初のミッションでは2241のTOIが指定された。他の研究者による共同研究は、TOIとCTOIの確認または新しいCTOIの発見を目標としている。
TESSが検出した惑星のみを分析している太陽系外惑星探査プロジェクトのいくつかは次のとおりである:
TESS Hunt for Young and Maturing Exoplanets(THYME)
The TESS-Keck Survey(TKS)
現在、少量の発見論文を出した共同研究:
Warm gIaNts with tEss collaboration(WINE)
TESSコミュニティはTRICERATOPS、DAVE、Lightkurve、Eleanor、Planet Patrolなど、惑星候補の検証に役立つソフトウェアとプログラムも作成している。
2014年12月、SpaceXは2017年8月に総額8700万米ドルでTESSを打ち上げる契約を獲得した。362kgの宇宙機は当初2018年3月20日に打ち上げられる予定であったが、打ち上げロケットの準備や、NASAの打ち上げ要件を満たすための時間を確保するために、SpaceXによって延期された。ファルコン9ロケットのウェット・ドレス・リハーサルは2018年4月11日18:30(UTC)頃に完了した。打ち上げは、2018年4月16日から再び延期され、最終的にファルコン9ロケットは4月18日にケープカナベラル空軍基地のケープカナベラル空軍基地第40発射施設で打ち上げられた。
ファルコン9の打ち上げでは、まず第1段を149秒、続いて第2段を6分間燃焼させた。第1段ブースターは第2段切り離し後に再突入操作を実行し、自律スペースポートドローン船「Of Course I Still Love You」に着陸することに成功した。第2段は35分間慣性飛行した後、最後に54秒間の第2回燃焼を行ってTESSを軌道傾斜角28.5°の遷移軌道に投入した。第2段階ではペイロードを離し、その後それ自体が太陽周回軌道に配置された。SpaceXのペイロードフェアリングの再利用化開発の一環として、フェアリングの着水実験も行われた。
2013年、オービタル・サイエンシズは、NASAのTESSを製造するため、4年間で7,500万米ドルを受け取った。TESSは、オービタル・サイエンシズのLEOStar-2衛星バスを使用しており、4つのヒドラジンスラスターと4つのリアクションホイールを使用した3軸安定化により、3秒角以上の精度で微細な指向制御が可能である。電力は、400ワットを発電する2つの単軸太陽電池によって供給される。Kaバンドのパラボラアンテナにより100 Mbit/sでダウンリンク可能である。
ファルコン9の第2段によって最初の軌道に配置されると、宇宙機は更に4回の独立した燃焼を実行し、月とのフライバイ軌道に投入された。5月17日、宇宙機は月面から8253.5の距離でスイングバイを実施し、5月30日に最終的な調整のための燃焼が行われた。公転周期は月と2:1の軌道共鳴にある13.65日であり、遠地点で月に対して90°傾いているが、これは少なくとも20年間安定した軌道であると予想されるため、維持するのに必要な燃料はごくわずかである。この段階に至るまでに合計2か月を要した。軌道は地球に対して37°傾いており、離心率は高い(17-75R⊕)。この軌道マヌーバのデルタVの量は215で、これはミッションで利用可能なデルタV総量の80%を占める。このため、ファルコン9で目標通り、あるいはわずかでも公称軌道投入精度以上の精度で軌道投入できた場合、推進薬残量から考えると理論上はミッション期間を15年以上とすることができる。
ファーストライトは2018年8月7日に行われ、2018年9月17日に公表された。
TESSは7月末に試運転を終え、7月25日に本格的な運用を開始した。運用開始後、2年間の主ミッションにおいてTESSは天球の中で1年目に南側、2年目に北側を観測した。その観測の間、TESSは26の領域を27.4日ごとに観測した。2020年7月4日に、主ミッションが終了した。その後、延長ミッションが実施される。
延長ミッションは2022年9月までの27か月で、再び南側の観測を1年行った後、1年3か月で再び北側の観測を行った。2022年9月の時点で検出された惑星候補(TOI)の数は5800個を超え、243個の惑星が確認されている。
2022年9月から2回目の延長ミッションが開始された。2024年9月までで、2022年9月から2023年9月までで北半球で5つの領域、南半球で9つの領域を観測する。それ以降は黄道付近の3つの領域、北半球で11の領域を観測し、2024年10月に終了する予定である。この2回目の拡張ミッションで、この期間にTESSは4000個以上の惑星候補を検出し、これまでの惑星候補と合わせると約12500個になる可能性がある(予測)。以前までの惑星候補はほとんどが公転周期が10日未満であったが、拡張ミッションによってより小さな惑星や、公転周期の長い惑星が検出できる可能性がある。
2022年10月10日に誤動作を起こし、セーフモードに入ったが、10月13日に通常の運用に戻った。10月14日に観測を再開し、機器内に保存されたデータも問題なく取得することができた。誤動作の原因は調査中である。
TESSの唯一の機器は、4台の広視野CCDカメラである。各カメラには、リンカーン研究所が製造した低ノイズ・低電力4メガピクセルCCDが4基取り付けられている。4つのCCDは2×2の配列に設置されており、カメラ1台あたり合計16メガピクセル、ミッション機器全体として16CCDとなる。各カメラは視野24°×24°、有効入射瞳径100mmで、レンズは7群構成、600-1000nm帯のバンドパスフィルタを有している。レンズの視野角は24°×96°(2,300°2、全天の約5%)、F値は1.4である。点像分布関数の総エネルギーのうち、ピークの場合の2乗エネルギーは、15×15μm内で50%、60×60μm内で90%である。なお、ケプラーの主要ミッションでは105°2の領域を観測したが、K2ミッションではより短い観測期間で多くの領域を観測した。
TESSの地上からの運用は、アメリカの8つの施設が受け持っている。NASAのスペースネットワーク及び遠隔測定法を行うジェット推進研究所のディープスペースネットワーク、オービタルATKのMission Operations Center、MITのPayload Operations Center、エイムズ研究センターのScience Processing Operations Center、ゴダード宇宙飛行センター、スミソニアン天体物理観測所のTESS Science Office、Mikulski Archive for Space Telescopes(MAST)がそれに該当する。
TESS-L5は今後のTESSの機能の状態が良好であり、ミッションが延長した際に2026年~2029年の間に打ち上げられる可能性がある、TESSに搭載されたカメラの予備のカメラを搭載した小型の宇宙機であり、太陽と地球のラグランジュ点L5から運用される予定である。これは、TESS本体と同じ視野で観測を行うことでデータの正確性を高めるのみでなく、500個の太陽系外縁天体を発見できる可能性がある。2021年現在、TESSの状態は良好であり、この状態が続けば今後10年間稼働できるとされる。
トランジット法を用いた観測機器の開発で直面する問題の1つは、恒星の前を惑星が横切ることによって生じるごくわずかな光量変化が検出できるかの試験をするために、極めて安定した光源が必要となることである。2015年、ジュネーブ大学のグループは安定光源装置の開発において飛躍的な進歩を達成した。この装置はESAのCHEOPSのために開発されたが、TESSのためにもう一台発注された。TESSもTHEOPSもトランジット法を利用して近い距離にある明るい恒星を観測する予定だが、CHEOPSはTESSや他のミッションで発見された太陽系外惑星を観測し、より多くの特性を調査することが目的である。
TESSは2018年7月25日に観測を開始した。ミッションから最初に公表された発見は、彗星C/2018 N1の観測であった。最初の太陽系外惑星の検出の公表は、9月18日に行われ、公転周期が6日のテーブルさん座パイ星系でのスーパー・アースの発見を公表した。なお、この惑星系には公転周期が5.9年の既知の木星型惑星もある。
2018年9月20日、赤色矮星LHS 3844(TOI-136)の周囲を公転している地球よりわずかに大きい超短周期惑星の発見が公表された。公転周期が11時間のLHS 3844 b(TOI-136  b)は、既知の惑星の中で公転周期が非常に短い惑星の1つである。軌道長半径は932000。LHS 3844 bは、地球から14.9pc離れており、地球から近い太陽系外惑星の1つでもある。
TESSが3番目に発見した太陽系外惑星はHD 202772A b(TOI-123A b)である。この惑星は、地球からやぎ座の方向に約480光年の距離に存在している、実視連星HD 202772の明るい方の恒星の周囲を公転しているホット・ジュピターである。2018年10月5日に公表された。HD 202772A bの公転周期は3.3日の膨らんだホット・ジュピターであり、進化した恒星の周囲に存在するのホット・ジュピターの稀な例である。また、平衡温度が2100であり、既知の惑星の中で恒星から強く照射されている惑星の1つである。
2019年3月19日、TOI-175の周囲に3つの地球型惑星が発見された。TOI-175 bは当時TESSがこれまで発見した惑星の中で一番小さい惑星であった。なお、2021年にはドップラー分光法によって4番目の惑星が発見された。また、5番目の惑星候補(TOI-175 f)が存在する可能性も示された。TOI-175 fはハビタブルゾーンに位置する地球型惑星である可能性がある。
2019年4月15日、地球サイズの惑星の最初の発見が公表された。HD 21749 c(TOI-186 c)は、地球の直径の約89%の大きさを持ち、約8日でK型主系列星HD 21749の周囲を公転している岩石質の惑星である。惑星の表面温度は427℃と推定されている。HD 21749 cは、TESSによる10番目に確認された惑星である。
太陽系外惑星の候補に関するデータは、引き続きMASTで公開されている。2019年4月20日の時点で、候補の総数は最大335であった。以前に発見された太陽系外惑星として識別された候補に加え、このリストには、上記の5つを含む10の新しく発見された太陽系外惑星も含まれている。一部の候補は半径がR < 4R⊕の50個の惑星の発見を支援することを目的としたTESS Follow-Up Program(TFOP)によるフォローアップ観測のため観測が行われている。候補となる太陽系外惑星は、同ページで更に追加されているため、増え続けている。
2019年7月18日、南側の観測が終了し、北側の観測を開始した。この時点で、21の惑星が確認され、850を超える太陽系外惑星の候補が存在している。
2019年7月23日、年齢が4500万年までの恒星が集まっているきょしちょう座・とけい座アソシエーションの中に位置する恒星きょしちょう座DS星(TOI-200)に惑星きょしちょう座DS星Ab(TOI-200A b)が存在することが論文にて公表された。TESSによって2018年11月にこの惑星が最初に観測され、2019年3月に確認された。この惑星は若く、大きさは海王星よりは大きいが、土星よりは小さい。この惑星系は、ドップラー分光法と透過光分光法を用いた観測に十分な明るさを持つ。ESAのCHEOPSは、この惑星のトランジットを観測している。惑星の性質を特徴付けるCHEOPS Guest Observers(GO)ProgrammeのAnnouncement of Opportunity(AO-1)で承認された。
2019年7月31日には、地球から31光年の距離にあるM型矮星グリーゼ357(TOI-562)の周囲の太陽系外惑星の発見が公表された。TESSは、平衡温度が約250℃の地球型惑星であるグリーゼ357bのトランジットを観測した。過去のデータと地上からの観測・分析は、グリーゼ357cとグリーゼ357dの発見につながった。bとcは主星に近すぎてハビタブルゾーンに入っていないが、dはハビタブルゾーンの外縁にあり、大気があればハビタブル惑星の可能性がある。質量は少なくとも6.1 M⊕のスーパー・アースに分類されている。
2019年9月の時点で、1000を超えるTESS Objects of Interest(TOI)がデータベースに公表されており、そのうち確認済みの惑星は少なくとも29個である。そのうち約20個がミッションの目標内の地球サイズである(<4地球半径)。
2019年9月26日、TESSがASASSN-19btと呼ばれる最初の潮汐破壊現象(TDE)を観測したことが公表された。TESSの観測データは、ASASSN-19btが2019年1月21日、ASAS-SNによる発見の約8.3日前に明るくなり始めたことを明らかにした。