原標題：尋找“地球2.0”，中國科學家提出巡天計劃

宇宙中是否有其他生命的存在，又是否有適合人類居住的第二家園，千百年來，吸引科學家們將探索的目光投向宇宙更深處。

近日，記者從中國科學院紫金山天文臺獲悉，中國科學家們提出一項“近鄰宜居行星巡天計劃”（以下簡稱“CHES”），計劃發(fā)射一個1.2米口徑的高精度天體測量空間望遠鏡，在日地拉格朗日L2點常規(guī)運行至少5年時間，擬探測距離地球約32光年的100個類太陽型恒星，期望發(fā)現(xiàn)首顆太陽系外宜居帶“地球2.0”。這將是國際上首次專門在近鄰類太陽型恒星周圍尋找宜居類地行星的空間探測任務。

“就宇宙演化而言，我們無法預知地球環(huán)境在50-100年后會發(fā)生什么。我們試圖探尋，宇宙中特別是太陽系近鄰恒星周圍是否存在其他宜居行星，進而探索這些行星上是否存在生命或高等文明?！敝袊茖W院紫金山天文臺研究員、“近鄰宜居行星巡天計劃”項目負責人季江徽告訴科技日報記者，科學家們希望通過執(zhí)行這項計劃，為尋找“地球2.0”帶去一雙慧眼。

將尋找與地球質(zhì)量相當，處于宜居帶的近鄰行星

人類自1995年發(fā)現(xiàn)第一顆太陽系外的類木行星以來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確認了5000多顆系外行星。這些行星大小不一、形態(tài)各異，涉及熱木星、亞海王星、巖石行星、超級地球等類型。

2007年發(fā)現(xiàn)的Gliese 581c被認為是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆在宜居帶的類地行星。2016年，天文學家在距離地球最近的恒星——比鄰星周圍又發(fā)現(xiàn)了一顆位于宜居帶的類地行星比鄰星b，其最小質(zhì)量為1.3個地球質(zhì)量，公轉(zhuǎn)周期僅為11.2天。

“太陽系內(nèi)的宜居帶在火星與金星之間，地球正好身處其中?！奔窘战榻B，天文學家將行星系統(tǒng)中適合生命存在的行星軌道范圍稱為“宜居帶”。

在“宜居帶”內(nèi),行星表面平均溫度能夠維持液態(tài)水穩(wěn)定存在，因此可能擁有與地球類似的生命存在的條件。同時，這里的恒星輻射和活動性不會太強,以免行星大氣中的水分子、二氧化碳分子發(fā)生電離,甚至剝離行星大氣。

“目前發(fā)現(xiàn)的太陽系外宜居帶類地行星約50顆，但它們的質(zhì)量大部分是地球的幾倍至十倍，相當于一個個‘超級地球’，它們絕大多數(shù)距離地球遙遠，達上千光年。而且在發(fā)現(xiàn)的行星中，很多位于紅矮星周圍，紅矮星表面溫度低于3500開爾文，而且空間環(huán)境惡劣，會有強烈的耀斑，所以我們更關(guān)注距離地球約32光年類似太陽這樣的恒星周圍，有沒有宜居帶的‘地球2.0’?！奔窘照f，CHES計劃要找的“地球2.0”或者說“孿生地球”，就是和地球質(zhì)量相當，軌道處于宜居帶，大氣或者表面可能有液態(tài)水來維持生命存在的行星。

“近鄰宜居行星巡天計劃”構(gòu)想圖。

“即使人類現(xiàn)在沒有能力達到這些類地行星，也并不影響我們思考人類在宇宙中將何去何從，去發(fā)現(xiàn)是否還有與地球一樣的行星?！奔窘毡硎?。

能勾畫系外行星輪廓的凌星法，難以給行星“稱重”

在浩瀚的星空，地球是否是僅有的一顆有生命存在的孤獨星球，吸引著各國科學家不遺余力地進行深空探測。他們在太空和地球，部署一個個“行星獵手”捕捉行星蹤跡。

在太空中，美國的“開普勒”空間望遠鏡和“苔絲”衛(wèi)星接棒探測系外行星，迄今共發(fā)現(xiàn)了3400多顆。

在地面，西班牙-德國的CARMENES項目，利用西班牙南部的3.5米口徑望遠鏡，結(jié)合近紅外觀測與光學階梯光柵光譜儀搜尋紅矮星周圍的類地行星；加拿大-法國-夏威夷望遠鏡開發(fā)的新型光譜偏振儀“SPIRou”和美國麥克唐納天文臺的“宜居帶行星探測儀”則通過視向速度法在近紅外波段尋找紅矮星周圍的宜居行星。

季江徽介紹，目前系外行星探測方法有凌星法、視向速度測量法、天體測量法、直接成像法、微引力透鏡法等。其中大部分系外行星是通過視向速度測量法和凌星法發(fā)現(xiàn)的。

“近鄰宜居行星巡天計劃”構(gòu)想圖。

“在宇宙中大約73%的恒星為紅矮星，由于紅矮星有效溫度低、宜居帶距離主星近，質(zhì)量和體積小，因此紅矮星周圍的行星易于被凌星法和視向速度法探測到?！奔窘战忉專傲栊恰敝傅氖钱斝行菑暮阈乔胺浇?jīng)過時，會遮擋恒星發(fā)出的光，所以通過恒星亮度的周期性變暗可以追蹤系外行星的凌星事件，這就好比金星凌日，金星從太陽表面緩慢移動時，把太陽的極小一部分擋住，太陽看上去就變暗了。凌星觀測可以根據(jù)恒星光度的周期性變化，來推測系外行星的大小和軌道周期。但季江徽并不諱言，凌星法雖有效，但探測效率受限。

“首先，想看到凌星現(xiàn)象，對行星的公轉(zhuǎn)軌道有特殊要求，行星需要正好通過恒星朝向地球的方向，幾乎在觀測者的視線方向；但行星的軌道是隨機分布的，所以有的空間望遠鏡探測到的凌星的發(fā)生概率只有千分之五。其次，恒星光度減弱變暗，有可能是由于恒星的黑子或恒星活動等引起的，因此凌星法還需要地面其他探測方法證認。所以即便目前‘苔絲’觀測到近4000個行星候選體，但能證認的只有200多顆行星。第三，凌星法僅能測出行星的半徑，無法直接給出行星的質(zhì)量，而行星質(zhì)量是刻畫地球2.0的關(guān)鍵參數(shù)?！奔窘照f。

創(chuàng)新探測方法，CHES探測精度將達微角秒級

與苔絲等衛(wèi)星采用凌星探測方法不同，CHES計劃將采用空間微角秒級別的高精度天體測量法，精確測量一顆目標恒星和6-8顆參考恒星之間的微角秒級別的星間距，這一細微的變化反映了目標恒星因其繞轉(zhuǎn)行星的引力擾動而引起的非常微小的擺動。

“通俗地說，如果一顆恒星周圍存在行星，行星會使恒星產(chǎn)生一個小幅度的周期性擺動。排除恒星自身運動后，恒星擺動幅度越小，說明其周圍行星的質(zhì)量越小，反之亦然。通過觀測恒星位置的微小變化，就能發(fā)現(xiàn)恒星周圍是否存在宜居行星，并算出它們的真實質(zhì)量和軌道參數(shù)。”季江徽說。

在浩瀚宇宙中探測“地球2.0”，需要一雙明察秋毫的眼睛。季江徽表示，CHES的科學載荷是一臺口徑為1.2米、焦距為36米的高像質(zhì)、低畸變、高穩(wěn)定光學望遠鏡，可實現(xiàn)全視場近衍射極限成像。

系外行星藝術(shù)構(gòu)想圖。

根據(jù)計劃，CHES空間望遠鏡將被送入日地系統(tǒng)第二拉格朗日點的Halo軌道，并在該軌道維持至少5年的穩(wěn)定運行時間，期間將對100顆類太陽型恒星進行科學探測，其中每顆恒星觀測不少于50次，預計發(fā)現(xiàn)約50顆類地行星。

CHES的探測精度將達到前所未有的微角秒級，季江徽打了個比方，“這相當于在地球上看向月球，分辨出放在月球上的一元硬幣的邊緣?！彼f，CHES團隊經(jīng)過多年的努力，在微像素星間距測量等關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破，可以滿足宜居行星的探測精度要求。如果CHES得到立項，將是國際上首次利用高精度天體測量法專門尋找宜居行星的空間探測任務。

季江徽表示，這一任務除了探測宜居行星外，對于暗物質(zhì)、黑洞等前沿科學研究也會作出相應的貢獻。

如果CHES能成功“捕捉”到這些類地行星的軌跡，如何判斷它們會不會成為宜居的“天選之子”？季江徽解釋，“除了判斷行星的質(zhì)量、是否宜居，還要看它們是否有水、氧氣，看看這些行星與已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的行星有何差異等?！贝送?，生命的穩(wěn)定存在還有許多其他條件，如以供生命產(chǎn)生的足夠長的恒星和行星壽命，適宜的恒星光度、穩(wěn)定的近圓行星軌道和自轉(zhuǎn)傾斜度、合適的行星大氣和行星磁場等。

距離地球32光年的宜居帶類地行星，人類又如何能夠抵達？季江徽暢想，“這首先需要星際航行能力的加持，例如飛行速度可能需要達到亞光速，此外也需要了解這些行星的分布情況，這需要對距離地球32光年的類太陽型恒星，進行全面‘星際普查’，為人類的未來發(fā)展拓展空間?！?/p>