阿里尔系外行星大气巡天任务

阿里尔（Ariel，全名 Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey）是欧洲空间局（ESA）的系外行星大气调查任务。它于 2018 年获选为 ESA Cosmic Vision 计划第四项中型任务，随后在 2020 年获正式采纳。阿里尔计划对约一千颗系外行星开展光谱观测，比较不同大小行星的大气成分、温度结构和变化，以研究行星性质与其母恒星环境之间的关系。本文所说的阿里尔，是 ESA 的系外行星任务；它不是 NASA 的 TESS 探测任务，也不是历史上的 Ariel I 卫星。

阿里尔的目标不是只研究一颗特别醒目的行星，而是对一组多样化的行星进行相对一致的测量。ESA 把样本规模概括为约 1000 颗凌日系外行星，涵盖从超级地球到气态巨行星的类型，重点关注温暖或炽热、靠近母恒星运行的行星。凌日是行星从地球视线方向经过恒星前方时造成的微弱亮度下降。这样的几何条件让恒星光有机会穿过行星大气，成为分析大气的观测窗口。

将多个行星的光谱放在一起比较，可以研究哪些大气成分和热结构常见于不同类别的行星，也可以考察母恒星的性质与行星化学演化之间是否存在联系。阿里尔会测量水蒸气、二氧化碳、甲烷等分子的光谱迹象，并为部分目标观测云层和大气随时间的变化。这些是任务设计中的科学目标；在任务尚未完成观测前，不能把它们写成已经取得的发现。大气成分测量本身也不等同于探测生命迹象。由于目标样本以凌日行星为主，而且任务时间有限，这项调查将形成一组可比较的目标样本，并不等于对银河系所有行星的完整普查。

恒星的光经过行星大气时，气体分子会吸收某些波长。研究者比较凌日前后或凌日过程中的光谱，就能寻找这些吸收造成的细小变化。行星运行到恒星后方、被恒星遮住时，望远镜还可测量恒星单独发出的光；把凌掩时的光谱与凌日时的光谱比较，有助于提取由行星大气造成的吸收特征，并分析大气成分和温度。多次观测同一系统，则可进一步研究云层、温度和大气状态如何改变。

阿里尔的主红外光谱仪 AIRS 覆盖约 1.95 至 7.8 微米，分为两个相邻波段。精细导引系统 FGS 负责帮助望远镜锁定和稳定目标，其中的可见光相机与导引传感器测量恒星位置，另有覆盖约 1.1 至 1.95 微米的近红外光谱通道补充科学观测。光学望远镜的椭圆主镜约为 1.1 米乘 0.7 米；整套光学与仪器系统将不同波段的光导向对应探测器。

ESA 目前列出的任务方案是使用阿里安 6 号运载火箭，从法属圭亚那的欧洲航天港发射，进入日地第二拉格朗日点 L2 附近的晕轨道。L2 距地球约 150 万公里，位于远离太阳的一侧。ESA 的任务资料给出四年的名义任务期；观测一个行星系统可持续约 10 小时至三天，具体安排取决于目标和观测类型。长时间连续记录有助于把短暂的凌日或凌掩信号，与行星大气随时间变化的信号区分开来。

任务由 ESA 与 Ariel Mission Consortium 合作推进。ESA 负责整体任务、发射、航天器飞行模型的集成与测试及任务运行；由多国研究机构组成的联盟负责交付科学载荷，Airbus 牵头建设航天器平台。NASA、日本宇宙航空研究开发机构和加拿大航天局也为载荷提供贡献。这个分工把航天器平台、低温望远镜、红外光谱仪和地面科学准备工作组合成一项调查任务。

TESS 是 NASA 的凌日系外行星巡天卫星，主要通过监测恒星亮度变化寻找行星候选体，并安排后续观测确认。阿里尔则面向已经发现、可观测的凌日行星，重点取得大气光谱并比较行星群体。ESA 资料提到，TESS、CHEOPS、Gaia、PLATO 等任务都可能帮助识别或研究阿里尔的候选目标。两项任务都可能观测凌日，但主要科学任务不同：发现行星的光变巡天为大气调查提供目标，光谱调查再细看这些行星由什么构成、环境如何变化。

名称相似的 Ariel I 是另一颗卫星。NASA 技术报告档案将这颗历史卫星记为电离层研究卫星；它与 ESA 的系外行星大气光谱任务是不同对象。在本文语境中，“阿里尔”专指 ESA 的 Ariel 任务，“Ariel I”专指历史卫星。

ESA 于 2018 年 3 月选定阿里尔为 Cosmic Vision 计划的第四项中型任务（M4），并于 2020 年 11 月正式采纳该任务。2023 年 8 月，载荷通过初步设计评审；同年 12 月，航天器初步设计评审完成，ESA 表示项目进入制造结构模型和航电验证模型等原型的阶段。2026 年 5 月，英国研究与创新署公布阿里尔载荷结构模型通过声学、质量特性和振动等初步测试。这个结构模型是地面验证件，不能据此说飞行载荷已完成或航天器已经发射。

发射年份存在来源日期差异。本文查阅时（2026 年 10 月 10 日），ESA 当前任务页和任务导航器列出的发射年份为 2031 年；ESA 2023 年 8 月的设计评审报道仍写 2029 年，ESA 事实页也仍显示 2029 年。能够直接读取的来源没有给出改期公告的确切日期或原因，因此 2031 年应表述为 ESA 当前页面列出的计划年份，2029 年则是较早资料中的计划年份；两者都不是实际发射结果，后续仍可能调整。

• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel（ESA：Ariel 任务页；本文于 2026 年 10 月 10 日查阅，当前页列出 2031 年发射计划。）
• https://www.esa.int/content/view/full/302985（ESA：任务导航器；本文于 2026 年 10 月 10 日查阅，当前任务表列出 Ariel 于 2031 年发射。）
• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel_factsheet（ESA：Ariel 事实页；包含约 1000 个凌日目标、观测方式、轨道、任务期和仍显示 2029 年的计划。）
• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel/Ariel_s_instruments（ESA：Ariel 的 AIRS、FGS 与望远镜组件说明。）
• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel/Studying_exoplanet_atmospheres_with_Ariel（ESA：凌日、次食、相位曲线等大气观测方法。）
• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Exoplanets/ESA_s_exoplanet_missions（ESA：Cheops、PLATO、Ariel 等任务的分工介绍；页面标注日期为 2023 年 3 月 20 日。）
• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Exoplanet_surveyor_Ariel_passes_major_milestone（ESA：2023 年 8 月 9 日载荷初步设计评审报道；当时预计 2029 年发射。）
• https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel/Ariel_moves_from_drawing_board_to_construction_phase（ESA：2023 年 12 月 5 日航天器初步设计评审与原型制造节点。）
• https://www.ukri.org/news/space-mission-to-study-alien-worlds-passes-crucial-test-milestone/（英国研究与创新署：2026 年 5 月 11 日载荷结构模型测试里程碑。）
• https://science.nasa.gov/mission/TESS/（NASA：TESS 任务说明。）
• https://www.nasa.gov/reference/the-transiting-exoplanet-survey-satellite/（NASA：TESS 建立凌日系外行星候选体目录，并通过地面后续观测确认候选体。）
• https://ntrs.nasa.gov/citations/19640006786（NASA 技术报告档案：题名将 Ariel I 列为电离层研究卫星；档案标注该技术备忘录发表于 1963 年。）