藝術(shù)家對(duì)在軌可愛任務(wù)的構(gòu)想。自2021年9月以來，新的小包系外行星CUTE一直在560公里的設(shè)計(jì)使太陽同步軌道上運(yùn)行。圖片:uux.cn/美國國家航空航天局
（神秘的從個(gè)成地球uux.cn）據(jù)美國宇航局：在迄今發(fā)現(xiàn)的大約5500顆系外行星中，許多行星的裝中軌道非常靠近其母星。這些近距離行星提供了一個(gè)獨(dú)特的觀測(cè)機(jī)會(huì)來詳細(xì)觀察對(duì)我們太陽系的發(fā)展和演變至關(guān)重要的現(xiàn)象，包括大氣質(zhì)量損失和與主恒星的極端相互作用。美國國家航空航天局于2021年9月發(fā)射的可愛科羅拉多州紫外線過境實(shí)驗(yàn)（CUTE）任務(wù)采用了一種新的設(shè)計(jì)，首次使用小型航天器探索這些過程。新的小包系外行星CUTE提供了獨(dú)特的設(shè)計(jì)使光譜診斷方法，可以追蹤近距離超高溫巨型行星的從個(gè)成逃逸大氣層。此外，裝中CUTE的觀測(cè)專用任務(wù)架構(gòu)使測(cè)量持續(xù)時(shí)間能夠表征這些星球上的大氣結(jié)構(gòu)和可變性。
大氣逃逸是極端一個(gè)影響許多行星的結(jié)構(gòu)、組成和演化的可愛基本過程。它已經(jīng)在我們太陽系的所有類地行星上運(yùn)行過，并且很可能推動(dòng)了以美國國家航空航天局開普勒任務(wù)為特征的短周期行星人口統(tǒng)計(jì)。事實(shí)上，在預(yù)測(cè)溫帶類地系外行星的宜居性時(shí)，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(cè)到逃逸的系外行星大氣。然而，由于中間星際介質(zhì)和地球高層大氣中的中性氫污染，對(duì)大多數(shù)系外行星進(jìn)行高質(zhì)量的萊曼-阿爾法凌日測(cè)量非常具有挑戰(zhàn)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(gè)數(shù)量級(jí)，可以根據(jù)更平滑的恒星表面強(qiáng)度分布來測(cè)量過境光曲線。
這一知識(shí)促使科羅拉多大學(xué)大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室的凱文·弗朗斯博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了這個(gè)可愛的任務(wù)（圖2）。該團(tuán)隊(duì)于2016年2月通過ROSES/天體物理研究和分析（APRA）項(xiàng)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于2017年7月資助了該項(xiàng)目。CUTE儀器率先在一個(gè)小型太空任務(wù)中使用了兩種技術(shù):一種新穎的矩形卡塞格倫望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的制造是為了適應(yīng)6U立方體衛(wèi)星外形的獨(dú)特儀器體積，這種調(diào)整提供了大約三倍于傳統(tǒng)圓形孔徑望遠(yuǎn)鏡的收集面積。緊湊的攝譜儀滿足任務(wù)的光譜分辨率要求，同時(shí)使用從哈勃太空望遠(yuǎn)鏡改編的按比例縮小的組件技術(shù)。

圖2–安裝在航天器總線上的CUTE科學(xué)儀器圖像，包括矩形望遠(yuǎn)鏡和小型化攝譜儀。致謝:uux.cn/可愛團(tuán)隊(duì)，科羅拉多大學(xué)
這種新穎的儀器設(shè)計(jì)使CUTE能夠以與大型任務(wù)類似的精度測(cè)量NUV，即使在立方體衛(wèi)星經(jīng)歷的更具挑戰(zhàn)性的熱和指向環(huán)境中。此外，CUTE儀器的NUV帶通使其能夠測(cè)量地面儀器無法到達(dá)的高度擴(kuò)展的大氣層中的鐵和鎂離子。可愛的科學(xué)儀器被納入6U藍(lán)峽谷技術(shù)公司的航天器總線，該總線提供電源、命令和數(shù)據(jù)處理、姿態(tài)控制和通信。這個(gè)立方體衛(wèi)星平臺(tái)使CUTE能夠觀測(cè)到某個(gè)行星的多次凌日。來自CUTE儀器的光譜圖記錄在紫外優(yōu)化的商用現(xiàn)成電荷耦合器件（CCD）上，進(jìn)行機(jī)載數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)發(fā)到科羅拉多大學(xué)的地面站。

圖3-研究生Arika Egan（中）和電氣工程師Nicholas DeCicco（左）在范登堡太空部隊(duì)基地將CUTE安裝到LANDSAT-9二級(jí)有效載荷分配器中。致謝:uux.cn/可愛團(tuán)隊(duì)，科羅拉多大學(xué)
CUTE于2021年9月27日作為美國國家航空航天局LANDSAT-9任務(wù)的二級(jí)有效載荷發(fā)射到560公里遠(yuǎn)地點(diǎn)的太陽同步軌道。發(fā)射后大約兩個(gè)小時(shí)，CUTE從有效載荷分配器中展開（圖3），然后展開太陽能電池陣列。業(yè)余無線電界在第一條軌道上發(fā)現(xiàn)了航天器信標(biāo)信號(hào)，并于第二天與科羅拉多大學(xué)的地面站建立了通信。航天器和儀器的在軌調(diào)試于2022年2月結(jié)束，自那時(shí)以來，該任務(wù)一直在進(jìn)行科學(xué)操作。
截至2024年2月，CUTE正在積極獲取科學(xué)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（圖4），并觀察到7個(gè)不同系外行星系統(tǒng)的6至11次凌日。數(shù)據(jù)下行效率是限制任務(wù)過程中觀察到的目標(biāo)數(shù)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(shí)間可變性。例如，對(duì)超熱系外行星木星WASP-189b的觀測(cè)表明大氣層高度擴(kuò)展。觀察到鎂離子在引力作用下不受行星束縛，這是該系統(tǒng)中重元素主動(dòng)逃逸的證據(jù)。可愛的數(shù)據(jù)由美國國家航空航天局系外行星科學(xué)研究所存檔。

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(lán)色的線從左到右向下彎曲。圖4-來自CUTE的飛行數(shù)據(jù)顯示了原始CCD觀測(cè)值（上圖）和校準(zhǔn)后的一維光譜（下圖）。圖片來源:uux.cn/法國等（2023年）

該圖以藍(lán)色顯示光學(xué)數(shù)據(jù)，以黑色顯示第1次訪問的NUV數(shù)據(jù)，以綠色顯示第2次訪問的數(shù)據(jù)，以粉色顯示第3次訪問的數(shù)據(jù)。大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)從左到右落在一條直線上，除了在軌道相位0時(shí)有一個(gè)明顯的下降。圖5-超熱系外行星木星WASP-189b可愛的NUV過境光曲線。這條光變曲線是由三次單獨(dú)的行星凌日形成的。圖片來源:uux.cn/Sreejith等人（2023年）
CUTE成功地展示了非圓形望遠(yuǎn)鏡和微型攝譜儀設(shè)計(jì)在小型空間飛行任務(wù)中的應(yīng)用，這種方法隨后被一些美國國家航空航天局和國際飛行任務(wù)設(shè)計(jì)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(jiān)測(cè)活動(dòng)（螳螂）任務(wù)。CUTE對(duì)低于1% NUV精度的演示表明，大型紫外天文任務(wù)所達(dá)到的精度也可以通過立方體衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)。此外，學(xué)生培訓(xùn)和早期職業(yè)指導(dǎo)是可愛計(jì)劃成功的關(guān)鍵因素。到目前為止，已有20多名早期職業(yè)學(xué)生和專業(yè)人士培訓(xùn)并參與了可愛的活動(dòng)——從科學(xué)到工程再到運(yùn)營。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人
科羅拉多大學(xué)大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室Kevin France教授
贊助組織
天體物理學(xué)部天體物理學(xué)研究和分析計(jì)劃