“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”的科學(xué)載荷是一臺(tái)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(xué)望遠(yuǎn)鏡，可實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)近衍射極限成像。望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)精度將達(dá)到前所未有的微角秒級(jí)，相當(dāng)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。

　　宇宙中是否有其他生命存在？是否有適合人類居住的第二家園？千百年來(lái)，為了尋找答案，科學(xué)家將探索的目光投向宇宙深處。

　　近日，科技日?qǐng)?bào)記者從中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)獲悉，中國(guó)科學(xué)家提出的“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱CHES），入選了中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)三期衛(wèi)星的候選項(xiàng)目。在中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)支持下，由中國(guó)多家科研機(jī)構(gòu)組成的團(tuán)隊(duì)目前已開展了前期研究。最近，CHES團(tuán)隊(duì)基于外差式激光干涉焦平面定標(biāo)技術(shù)，在微像素級(jí)星間距測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。

　　CHES計(jì)劃發(fā)射一個(gè)1.2米口徑的高精度天體測(cè)量空間望遠(yuǎn)鏡，在日地拉格朗日L2點(diǎn)常規(guī)運(yùn)行至少5年時(shí)間，擬探測(cè)距離地球約32光年處的100個(gè)類太陽(yáng)型恒星，期望發(fā)現(xiàn)首顆太陽(yáng)系外宜居帶“地球2.0”。這將是國(guó)際上首次專門在近鄰類太陽(yáng)型恒星周圍尋找宜居類地行星的空間探測(cè)任務(wù)。

　　“就宇宙演化而言，我們無(wú)法預(yù)知地球環(huán)境在50—100年后會(huì)發(fā)生什么。我們?cè)噲D探尋宇宙中，特別是太陽(yáng)系近鄰恒星周圍是否存在其他宜居行星，進(jìn)而探索這些行星上是否存在生命或高等文明?！敝袊?guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員、“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人季江徽說(shuō)。

　　尋找與地球質(zhì)量相當(dāng)?shù)慕徯行?/p>

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

　　2007年發(fā)現(xiàn)的Gliese 581c被認(rèn)為是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆位于宜居帶的類地行星。2016年，天文學(xué)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，其質(zhì)量約為1.3倍地球質(zhì)量，公轉(zhuǎn)周期僅為11.2天。

　　“太陽(yáng)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(xué)家將恒星周圍適合生命存在的區(qū)域稱為宜居帶。在宜居帶內(nèi)，行星表面平均溫度能夠維持液態(tài)水的穩(wěn)定存在，因此可能擁有與地球類似的生命存在條件；同時(shí)，這里的恒星輻射等不會(huì)太強(qiáng)，可以避免行星大氣中的水分子、二氧化碳分子發(fā)生電離，或者剝離行星大氣。

　　“目前發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)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10倍，相當(dāng)于‘超級(jí)地球’，它們中絕大多數(shù)距離地球十分遙遠(yuǎn)，達(dá)上千光年。而且在已發(fā)現(xiàn)的類地行星中，很多位于紅矮星周圍，紅矮星表面溫度低于3500開爾文，且其周圍空間環(huán)境惡劣，會(huì)有強(qiáng)烈的耀斑，所以我們更應(yīng)關(guān)注距離地球約32光年類似太陽(yáng)這樣的恒星周圍，有沒有位于宜居帶的‘地球2.0’。”季江徽說(shuō)，CHES要找的“地球2.0”或者說(shuō)“孿生地球”，就是和地球質(zhì)量相當(dāng)，軌道處于宜居帶，大氣或者天體表面可能有液態(tài)水來(lái)維持生命存在的行星。

　　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(dú)星球？為了回答這個(gè)問(wèn)題，各國(guó)科學(xué)家不遺余力地開展深空探測(cè)，他們?cè)谔蘸偷厍颍渴鹆艘粋€(gè)個(gè)“行星獵手”，捕捉類地行星的蹤跡。

　　在太空，美國(guó)的開普勒太空望遠(yuǎn)鏡和“苔絲”衛(wèi)星，迄今共發(fā)現(xiàn)了3400多顆類地行星。

　　在地面，西班牙—德國(guó)的CARMENES項(xiàng)目，利用西班牙南部的3.5米口徑望遠(yuǎn)鏡，結(jié)合近紅外觀測(cè)與光學(xué)階梯光柵光譜儀搜尋紅矮星周圍的類地行星；安裝在加拿大—法國(guó)—夏威夷望遠(yuǎn)鏡上的新型光譜偏振儀“SPIRou”和美國(guó)麥克唐納天文臺(tái)的宜居帶行星探測(cè)儀則通過(guò)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(cè)方法有凌星法、視向速度測(cè)量法、天體測(cè)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(guò)視向速度測(cè)量法和凌星法發(fā)現(xiàn)的。

　　“在宇宙中，大約73%的恒星為紅矮星，由于紅矮星有效溫度低、質(zhì)量和體積小，宜居帶距離其較近，因此它周圍的行星容易被凌星法探測(cè)到。”季江徽解釋道，凌星指的是當(dāng)行星從恒星前方經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)遮擋恒星發(fā)出的光，所以通過(guò)恒星亮度的周期性變暗可以追蹤系外行星的凌星事件?？茖W(xué)家也可以根據(jù)恒星的這種光度周期性變化，來(lái)推測(cè)系外行星的大小和軌道周期。

　　但季江徽也指出，凌星法雖然有效，但探測(cè)效率較為受限。“首先，想看到凌星現(xiàn)象，對(duì)行星的公轉(zhuǎn)軌道有特殊要求，行星需要正好通過(guò)恒星朝向地球的方向，且行星的軌道面需要和觀測(cè)視線方向幾乎平行，但行星的軌道是隨機(jī)分布的，所以一些空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的凌星發(fā)生概率只有千分之五。其次，恒星光度減弱變暗，也有可能是由于恒星的黑子或恒星活動(dòng)等引起的，因此凌星法還需要地面以及其他觀測(cè)方法的證認(rèn)。所以即便目前‘苔絲’衛(wèi)星觀測(cè)到近4000個(gè)行星候選體，但能證認(rèn)的只有200多顆。最后，凌星法僅能測(cè)出行星的半徑，無(wú)法直接給出行星的質(zhì)量，而行星質(zhì)量是尋找‘地球2.0’的關(guān)鍵參數(shù)。”季江徽說(shuō)。

　　CHES探測(cè)精度將達(dá)微角秒級(jí)

　　與“苔絲”衛(wèi)星等采用凌星法不同，CHES將采用空間微角秒級(jí)別的高精度天體測(cè)量法，精確測(cè)量一顆目標(biāo)恒星和6—8顆參考恒星之間的微角秒級(jí)別的星間距，這一細(xì)微的變化反映了目標(biāo)恒星因其繞轉(zhuǎn)行星的引力擾動(dòng)而引起的非常微小的擺動(dòng)。

　　“通俗地說(shuō)，如果一顆恒星周圍存在行星，行星會(huì)使恒星產(chǎn)生一個(gè)小幅度的周期性擺動(dòng)。排除恒星自身運(yùn)動(dòng)后，恒星擺動(dòng)幅度越小，說(shuō)明其周圍行星的質(zhì)量越小，反之亦然。通過(guò)觀測(cè)恒星位置的微小變化，就能發(fā)現(xiàn)恒星周圍是否存在行星，并算出它們的真實(shí)質(zhì)量和軌道參數(shù)?！奔窘照f(shuō)。

　　在浩瀚宇宙中探測(cè)“地球2.0”，需要一雙明察秋毫的眼睛。季江徽表示，CHES的科學(xué)載荷是一臺(tái)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(xué)望遠(yuǎn)鏡，可實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)近衍射極限成像。

　　根據(jù)計(jì)劃，CHES空間望遠(yuǎn)鏡將被送入日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)的Halo軌道，并在該軌道維持至少5年的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，其間將對(duì)100顆類太陽(yáng)型恒星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，其中每顆恒星觀測(cè)不少于50次，預(yù)計(jì)發(fā)現(xiàn)約50顆類地行星。

　　CHES空間望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)精度將達(dá)到前所未有的微角秒級(jí)，季江徽打了個(gè)比方：“這相當(dāng)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(shuō)，CHES團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的努力，在微像素星間距測(cè)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(cè)精度要求。如果CHES得到立項(xiàng)，將是國(guó)際上首次利用高精度天體測(cè)量法專門尋找宜居行星的空間探測(cè)任務(wù)。

　　季江徽表示，這一任務(wù)除了探測(cè)宜居行星外，對(duì)于暗物質(zhì)、黑洞等前沿科學(xué)研究也會(huì)作出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

　　如果CHES能成功捕捉到這些類地行星的軌跡，如何判斷它們是否宜居？季江徽解釋：“除了行星質(zhì)量外，判定一顆行星是否宜居，還要看它是否有水、氧氣，以及與已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的行星有何差異等?！贝送猓姆€(wěn)定存在還有許多其他限制條件，如足夠長(zhǎng)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(chǎng)等。金 鳳