可爱的任务：创新的设计使得从一个小包装中观测极端系外行星成为可能

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艺术家对在轨可爱任务的构想。自2021年9月以来，CUTE一直在560公里的太阳同步轨道上运行。图片:美国国家航空航天局

（）据美国宇航局：在迄今发现的大约5500颗系外行星中，许多行星的轨道非常靠近其母星。这些近距离行星提供了一个独特的机会来详细观察对我们太阳系的发展和演变至关重要的现象，包括大气质量损失和与主恒星的相互作用。美国国家航空航天局于2021年9月发射的科罗拉多州紫外线过境实验（CUTE）任务采用了一种新的设计，首次使用小型航天器探索这些过程。CUTE提供了独特的光谱诊断方法，可以追踪近距离超高温巨型行星的逃逸大气层。此外，CUTE的专用任务架构使测量持续时间能够表征这些星球上的大气结构和可变性。

大气逃逸是一个影响许多行星的结构、组成和演化的基本过程。它已经在我们太阳系的所有类地行星上运行过，并且很可能推动了以美国国家航空航天局开普勒任务为特征的短周期行星人口统计。事实上，在预测温带类地系外行星的宜居性时，大气逃逸最终可能是决定性因素。2003年，在氢莱曼-阿尔法线（121纳米）首次观测到逃逸的系外行星大气。然而，由于中间星际介质和地球高层大气中的中性氢污染，对大多数系外行星进行高质量的莱曼-阿尔法凌日测量非常具有挑战性。相比之下，主星的近紫外线（NUV；250–350nm）通量比莱曼-阿尔法高两到三个数量级，可以根据更平滑的恒星表面强度分布来测量过境光曲线。

这一知识促使科罗拉多大学大气和空间物理实验室的凯文·弗朗斯博士领导的团队设计了这个可爱的任务（图2）。该团队于2016年2月通过ROSES/天体物理研究和分析（APRA）项目向美国国家航空航天局提出了CUTE概念，美国国家航空航天局于2017年7月资助了该项目。CUTE仪器率先在一个小型太空任务中使用了两种技术:一种新颖的矩形卡塞格伦望远镜（20厘米×8厘米主镜）和一种微型低分辨率摄谱仪，工作波长约为250-330纳米。矩形望远镜的制造是为了适应6U立方体卫星外形的独特仪器体积，这种调整提供了大约三倍于传统圆形孔径望远镜的收集面积。紧凑的摄谱仪满足任务的光谱分辨率要求，同时使用从哈勃太空望远镜改编的按比例缩小的组件技术。



图2–安装在航天器总线上的CUTE科学仪器图像，包括矩形望远镜和小型化摄谱仪。致谢:可爱团队，科罗拉多大学

这种新颖的仪器设计使CUTE能够以与大型任务类似的精度测量NUV，即使在立方体卫星经历的更具挑战性的热和指向环境中。此外，CUTE仪器的NUV带通使其能够测量地面仪器无法到达的高度扩展的大气层中的铁和镁离子。可爱的科学仪器被纳入6U蓝峡谷技术公司的航天器总线，该总线提供电源、命令和数据处理、姿态控制和通信。这个立方体卫星平台使CUTE能够观测到某个行星的多次凌日。来自CUTE仪器的光谱图记录在紫外优化的商用现成电荷耦合器件（CCD）上，进行机载数据处理，并将数据产品转发到科罗拉多大学的地面站。



图3-研究生Arika Egan（中）和电气工程师Nicholas DeCicco（左）在范登堡太空部队基地将CUTE安装到LANDSAT-9二级有效载荷分配器中。致谢:可爱团队，科罗拉多大学

CUTE于2021年9月27日作为美国国家航空航天局LANDSAT-9任务的二级有效载荷发射到560公里远地点的太阳同步轨道。发射后大约两个小时，CUTE从有效载荷分配器中展开（图3），然后展开太阳能电池阵列。业余无线电界在第一条轨道上发现了航天器信标信号，并于第二天与科罗拉多大学的地面站建立了通信。航天器和仪器的在轨调试于2022年2月结束，自那时以来，该任务一直在进行科学操作。

截至2024年2月，CUTE正在积极获取科学和校准数据（图4），并观察到7个不同系外行星系统的6至11次凌日。数据下行效率是限制任务过程中观察到的目标数量的主要因素。可爱的光变曲线和过境光谱揭示了一些行星上延伸的NUV大气（图5）和其他行星大气传输光谱中潜在的时间可变性。例如，对超热系外行星木星WASP-189b的观测表明大气层高度扩展。观察到镁离子在引力作用下不受行星束缚，这是该系统中重元素主动逃逸的证据。可爱的数据由美国国家航空航天局系外行星科学研究所存档。



上图:在紫色背景下，从左到右描绘了一条近乎直线的图形。底部:x轴表示波长，y轴表示通量；一条蓝色的线从左到右向下弯曲。图4-来自CUTE的飞行数据显示了原始CCD观测值（上图）和校准后的一维光谱（下图）。图片来源:法国等（2023年）



该图以蓝色显示光学数据，以黑色显示第1次访问的NUV数据，以绿色显示第2次访问的数据，以粉色显示第3次访问的数据。大多数数据点从左到右落在一条直线上，除了在轨道相位0时有一个明显的下降。图5-超热系外行星木星WASP-189b可爱的NUV过境光曲线。这条光变曲线是由三次单独的行星凌日形成的。图片来源:Sreejith等人（2023年）

CUTE成功地展示了非圆形望远镜和微型摄谱仪设计在小型空间飞行任务中的应用，这种方法随后被一些美国国家航空航天局和国际飞行任务设计所采用，包括美国国家航空航天局新的利用紫外成像和光谱从附近恒星监测活动（螳螂）任务。CUTE对低于1% NUV精度的演示表明，大型紫外天文任务所达到的精度也可以通过立方体卫星实现。此外，学生培训和早期职业指导是可爱计划成功的关键因素。到目前为止，已有20多名早期职业学生和专业人士培训并参与了可爱的活动——从科学到工程再到运营。

项目负责人

科罗拉多大学大气和空间物理实验室Kevin France教授

赞助组织

天体物理学部天体物理学研究和分析计划