巡天計劃尋找「地球2.0」（第二家園）
2024-04-14 19:44:07
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個類太陽型恆星，期望發現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恆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境在50-100年後會發生什麼。我們試圖探尋，宇宙中特別是太陽系近鄰恆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。」中國科學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。
將尋找與地球質量相當，處於宜居帶的近鄰行星
人類自1995年發現第一顆太陽系外的類木行星以來，已經發現並確認了5000多顆系外行星。這些行星大小不一、形態各異，涉及熱木星、亞海王星、巖石行星、超級地球等類型。
2007年發現的Gliese 581c被認為是人類發現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恆星——比鄰星周圍又發現了一顆位於宜居帶的類地行星比鄰星b，其最小質量為1.3個地球質量，公轉周期僅為11.2天。
「太陽系內的宜居帶在火星與金星之間，地球正好身處其中。」季江徽介紹，天文學家將行星系統中適合生命存在的行星軌道範圍稱為「宜居帶」。
在「宜居帶」內, 行星表面平均溫度能夠維持液態水穩定存在，因此可能擁有與地球類似的生命存在的條件。同時，這裡的恆星輻射和活動性不會太強, 以免行星大氣中的水分子、二氧化碳分子發生電離, 甚至剝離行星大氣。
「目前發現的太陽系外宜居帶類地行星約50顆，但它們的質量大部分是地球的幾倍至十倍，相當於一個個『超級地球』，它們絕大多數距離地球遙遠，達上千光年。而且在發現的行星中，很多位於紅矮星周圍，紅矮星表面溫度低於3500開爾文，而且空間環境惡劣，會有強烈的耀斑，所以我們更關注距離地球約32光年類似太陽這樣的恆星周圍，有沒有宜居帶的『地球2.0』。」季江徽說，CHES計劃要找的「地球2.0」或者說「孿生地球」，就是和地球質量相當，軌道處於宜居帶，大氣或者表面可能有液態水來維持生命存在的行星。
「近鄰宜居行星巡天計劃」構想圖。
「即使人類現在沒有能力達到這些類地行星，也並不影響我們思考人類在宇宙中將何去何從，去發現是否還有與地球一樣的行星。」季江徽表示。
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餘力地進行深空探測。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「克卜勒」空間望遠鏡和「苔絲」衛星接棒探測系外行星，迄今共發現了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現的。
「近鄰宜居行星巡天計劃」構想圖。
「在宇宙中大約73%的恆星為紅矮星，由於紅矮星有效溫度低、宜居帶距離主星近，質量和體積小，因此紅矮星周圍的行星易於被凌星法和視向速度法探測到。」季江徽解釋，「凌星」指的是當行星從恆星前方經過時，會遮擋恆星發出的光，所以通過恆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。凌星觀測可以根據恆星光度的周期性變化，來推測系外行星的大小和軌道周期。但季江徽並不諱言，凌星法雖有效，但探測效率受限。
「首先，想看到凌星現象，對行星的公轉軌道有特殊要求，行星需要正好通過恆星朝向地球的方向，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生概率只有千分之五。其次，恆星光度減弱變暗，有可能是由於恆星的黑子或恆星活動等引起的，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量，而行星質量是刻畫地球2.0的關鍵參數。」季江徽說。
創新探測方法，CHES探測精度將達微角秒級
與苔絲等衛星採用凌星探測方法不同， CHES計劃將採用空間微角秒級別的高精度天體測量法，精確測量一顆目標恆星和6-8顆參考恆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恆星因其繞轉行星的引力擾動而引起的非常微小的擺動。
「通俗地說，如果一顆恆星周圍存在行星，行星會使恆星產生一個小幅度的周期性擺動。排除恆星自身運動後，恆星擺動幅度越小，說明其周圍行星的質量越小，反之亦然。通過觀測恆星位置的微小變化，就能發現恆星周圍是否存在宜居行星，並算出它們的真實質量和軌道參數。」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、低畸變、高穩定光學望遠鏡，可實現全視場近衍射極限成像。
系外行星藝術構想圖。
根據計劃，CHES空間望遠鏡將被送入日地系統第二拉格朗日點的Halo軌道，並在該軌道維持至少5年的穩定運行時間，期間將對100顆類太陽型恆星進行科學探測，其中每顆恆星觀測不少於50次，預計發現約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，「這相當於在地球上看向，分辨出放在上的一元硬幣的邊緣。」他說，CHES團隊經過多年的努力，在微像素星間距測量等關鍵技術上取得了突破，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，對於暗物質、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發現的行星有何差異等。」此外，生命的穩定存在還有許多其他條件，如以供生命產生的足夠長的恆星和行星壽命，適宜的恆星光度、穩定的近圓行星軌道和自轉傾斜度、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光年的類太陽型恆星，進行全面『星際普查』，為人類的未來發展拓展空間。」
