“近鄰宜居行星巡天計劃”的科學(xué)載荷是一臺口徑為1.2米、焦距為36米的高像質(zhì)、低畸變、高穩定光學(xué)望遠鏡，可實(shí)現全視場(chǎng)近衍射極限成像。望遠鏡的探測精度將達到前所未有的微角秒級，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。
宇宙中是否有其他生命存在？是否有適合人類(lèi)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，科技日報記者從中國科學(xué)院紫金山天文臺獲悉，中國科學(xué)家提出的“近鄰宜居行星巡天計劃”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)CHES），入選了中國科學(xué)院空間科學(xué)三期衛星的候選項目。在中國科學(xué)院空間科學(xué)先導專(zhuān)項支持下，由中國多家科研機構組成的團隊目前已開(kāi)展了前期研究。最近，CHES團隊基于外差式激光干涉焦平面定標技術(shù)，在微像素級星間距測量關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。
CHES計劃發(fā)射一個(gè)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(diǎn)常規運行至少5年時(shí)間，擬探測距離地球約32光年處的100個(gè)類(lèi)太陽(yáng)型恒星，期望發(fā)現首顆太陽(yáng)系外宜居帶“地球2.0”。這將是國際上首次專(zhuān)門(mén)在近鄰類(lèi)太陽(yáng)型恒星周?chē)鷮ふ乙司宇?lèi)地行星的空間探測任務(wù)。
“就宇宙演化而言，我們無(wú)法預知地球環(huán)境在50—100年后會(huì )發(fā)生什么。我們試圖探尋宇宙中，特別是太陽(yáng)系近鄰恒星周?chē)欠翊嬖谄渌司有行?，進(jìn)而探索這些行星上是否存在生命或高等文明?！敝袊茖W(xué)院紫金山天文臺研究員、“近鄰宜居行星巡天計劃”項目負責人季江徽說(shuō)。
尋找與地球質(zhì)量相當的近鄰行星
人類(lèi)自1995年發(fā)現第一顆太陽(yáng)系外的類(lèi)木行星以來(lái)，已經(jīng)發(fā)現并確認了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、超級地球等類(lèi)型。
2007年發(fā)現的Gliese 581c被認為是人類(lèi)發(fā)現的第一顆位于宜居帶的類(lèi)地行星。2016年，天文學(xué)家在距離地球最近的恒星——比鄰星周?chē)职l(fā)現了一顆位于宜居帶的類(lèi)地行星比鄰星b，其質(zhì)量約為1.3倍地球質(zhì)量，公轉周期僅為11.2天。
“太陽(yáng)系內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?chē)m合生命存在的區域稱(chēng)為宜居帶。在宜居帶內，行星表面平均溫度能夠維持液態(tài)水的穩定存在，因此可能擁有與地球類(lèi)似的生命存在條件；同時(shí)，這里的恒星輻射等不會(huì )太強，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)現的太陽(yáng)系外宜居帶類(lèi)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，相當于‘超級地球’，它們中絕大多數距離地球十分遙遠，達上千光年。而且在已發(fā)現的類(lèi)地行星中，很多位于紅矮星周?chē)?，紅矮星表面溫度低于3500開(kāi)爾文，且其周?chē)臻g環(huán)境惡劣，會(huì )有強烈的耀斑，所以我們更應關(guān)注距離地球約32光年類(lèi)似太陽(yáng)這樣的恒星周?chē)?，有沒(méi)有位于宜居帶的‘地球2.0’?！奔窘照f(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，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(chēng)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？為了回答這個(gè)問(wèn)題，各國科學(xué)家不遺余力地開(kāi)展深空探測，他們在太空和地球，部署了一個(gè)個(gè)“行星獵手”，捕捉類(lèi)地行星的蹤跡。
在太空，美國的開(kāi)普勒太空望遠鏡和“苔絲”衛星，迄今共發(fā)現了3400多顆類(lèi)地行星。
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(guān)測與光學(xué)階梯光柵光譜儀搜尋紅矮星周?chē)念?lèi)地行星；安裝在加拿大—法國—夏威夷望遠鏡上的新型光譜偏振儀“SPIRou”和美國麥克唐納天文臺的宜居帶行星探測儀則通過(guò)視向速度法在近紅外波段尋找紅矮星周?chē)囊司有行恰?/p>
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(guò)視向速度測量法和凌星法發(fā)現的。
“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?chē)男行侨菀妆涣栊欠ㄌ綔y到?！奔窘战忉尩?，凌星指的是當行星從恒星前方經(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)家也可以根據恒星的這種光度周期性變化，來(lái)推測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，但探測效率較為受限?！笆紫?，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(guò)恒星朝向地球的方向，且行星的軌道面需要和觀(guān)測視線(xiàn)方向幾乎平行，但行星的軌道是隨機分布的，所以一些空間望遠鏡探測到的凌星發(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(guān)測方法的證認。所以即便目前‘苔絲’衛星觀(guān)測到近4000個(gè)行星候選體，但能證認的只有200多顆。最后，凌星法僅能測出行星的半徑，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?！奔窘照f(shuō)。
CHES探測精度將達微角秒級
與“苔絲”衛星等采用凌星法不同，CHES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?chē)嬖谛行?，行星?huì )使恒星產(chǎn)生一個(gè)小幅度的周期性擺動(dòng)。排除恒星自身運動(dòng)后，恒星擺動(dòng)幅度越小，說(shuō)明其周?chē)行堑馁|(zhì)量越小，反之亦然。通過(guò)觀(guān)測恒星位置的微小變化，就能發(fā)現恒星周?chē)欠翊嬖谛行?，并算出它們的真?shí)質(zhì)量和軌道參數?！奔窘照f(shuō)。
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(xué)載荷是一臺口徑為1.2米、焦距為36米的高像質(zhì)、低畸變、高穩定光學(xué)望遠鏡，可實(shí)現全視場(chǎng)近衍射極限成像。
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(diǎn)的Halo軌道，并在該軌道維持至少5年的穩定運行時(shí)間，其間將對100顆類(lèi)太陽(yáng)型恒星進(jìn)行科學(xué)探測，其中每顆恒星觀(guān)測不少于50次，預計發(fā)現約50顆類(lèi)地行星。
CHES空間望遠鏡的探測精度將達到前所未有的微角秒級，季江徽打了個(gè)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(shuō)，CHES團隊經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(zhuān)門(mén)尋找宜居行星的空間探測任務(wù)。
季江徽表示，這一任務(wù)除了探測宜居行星外，對于暗物質(zhì)、黑洞等前沿科學(xué)研究也會(huì )作出相應的貢獻。
如果CHES能成功捕捉到這些類(lèi)地行星的軌跡，如何判斷它們是否宜居？季江徽解釋?zhuān)骸俺诵行琴|(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)現的行星有何差異等?！贝送?，生命的穩定存在還有許多其他限制條件，如足夠長(cháng)的恒星和行星壽命、適宜的恒星光度、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(chǎng)等。金 鳳
