CUTE任务：创新设计使得从小型设备中观测极端系外行星成为可能
截至目前已发现约5,500颗系外行星中，许多都被发现绕着母星非常近的轨道运行。这些近距离行星为我们提供了一个独特的机会，可以详细观测对我们太阳系的发展和演化至关重要的现象，包括大气质量损失和与主星的相互作用。NASA的科罗拉多紫外线过境实验（CUTE）任务于2021年9月发射，采用了一种新的设计，这使得首次使用小型航天器探索这些过程成为可能。CUTE提供了独特的光谱诊断，追踪近距离超热巨行星逃逸的大气层。此外，CUTE的专用任务架构使调查持续时间能够表征这些星球的大气结构和变异性。
大气逃逸是影响许多行星的结构、组成和演化的基本过程。它在我们太阳系的所有类地行星上都发生过，并且很可能推动了由NASA的开普勒任务特征的短期行星人口统计。事实上，大气逃逸最终可能成为预测温带类地系外行星宜居性的决定性因素。逃逸的系外行星大气层于2003年首次在氢的来曼α线（121纳米）上被观测到。然而，中性氢在星际介质和地球上层大气中的污染，使得获取大多数系外行星的高质量来曼α线凌日测量数据变得非常具有挑战性。相比之下，宿主星的近紫外线（NUV；250 – 350纳米）通量比来曼α线高出两到三个数量级，并且凌日光曲线可以在更平滑的恒星表面强度分布下测量。
这些知识促使由凯文·弗朗斯博士领导的科罗拉多大学大气与太空物理实验室的团队设计了CUTE任务（图2）。该团队于2016年2月通过ROSES/天体物理研究与分析（APRA）计划向NASA提出了CUTE概念，并于2017年7月获得了NASA的资助。CUTE仪器在小型太空任务中率先使用了两种技术：一种是新型矩形卡塞格伦望远镜（20厘米×8厘米主镜）和一种在大约250 – 330纳米范围内工作的小型低分辨率光谱仪。矩形望远镜是为了适应6U CubeSat独特的仪器体积而制造，这种调整使其具有大约三倍于传统圆形孔径望远镜的收集面积。紧凑型光谱仪采用了哈勃太空望远镜的缩小组件技术，满足了任务的光谱分辨率要求。
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光谱仪。
影像来源： CUTE Team, University of Colorado
这种新颖的仪器设计使CUTE能够以与大型任务相似的精度测量NUV，即使在CubeSat经历的更具挑战性的热环境和指向环境中也是如此。此外，CUTE仪器的NUV带通允许它从地面仪器无法接触的高度扩展的大气层中测量铁和镁离子。CUTE科学仪器被集成到蓝峡谷技术公司（Blue Canyon Technologies）一个6U航天器总线中，该总线提供电力、命令和数据处理、姿态控制以及通信。这个CubeSat平台使CUTE能够观察给定行星的多次凌日。CUTE仪器的光谱图记录在一个紫外线优化的商用现成电荷耦合装置（CCD）上，执行机载数据处理，并将数据产品转发到科罗拉多大学的地面站。
图3——研究生艾瑞卡·伊根（Arika Egan，中）和电气工程师尼古拉斯·德西科（Nicholas DeCicco，左）在范登堡空军基地将CUTE安装到LANDSAT-9的次级有效载荷分配器中。
影像来源：CUTE Team, University of Colorado
CUTE于2021年9月27日作为美国宇航局LANDSAT-9任务的次要有效载荷发射到太阳同步轨道，远地点为560公里。CUTE在发射后大约两小时从有效载荷分配器（图3）中部署，然后部署其太阳能电池阵列。航天器的信标信号在第一轨道上被业余无线电界识别，隔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月完成，此后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），并已观测到七个不同系外行星系统之间的6到11次凌日。数据下行链路效率是限制任务观察目标数量的主要因素。CUTE的光曲线和凌日光谱揭示了一些行星上扩展的NUV大气（图5），以及其他行星大气透射光谱的潜在时间变化性。例如，对超热系外行星，木星WASP-189b的观测表明有一个高度扩展的大气。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。CUTE的数据由NASA系外行星科学研究所（NExScI）存档。
图4——CUTE的飞行数据，展示了原始CCD的观测值（上）和校准后的一维光谱（下）。
影像来源：France et al (2023)
图5——CUTE对超热系外行星，木星WASP-189b的NUV凌日光曲线。这条光曲线是根据三次单独的行星凌日的数据创建。
影像来源：Sreejith, et al (2023)
CUTE成功演示了在小型太空任务中使用非圆形望远镜和小型光谱仪设计的方法，这种方法随后被NASA和其他几个国际任务设计采用，包括NASA的新任务——通过紫外成像和光谱学监测邻近恒星的活动（MANTIS）。CUTE展示的低于1%的NUV精度证明了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一直是CUTE任务成功的关键因素。到目前为止，已有20多位早期职业学生和专业人士接受培训并参与了CUTE的活动——范围从科学到工程到运营。
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