紫金山天文臺推進“近鄰宜居行星巡天計劃”

獨辟蹊徑，尋找“地球2.0”

“我們在宇宙中是否孤獨?”亞里士多德提出的這一哲學(xué)命題，天文學(xué)家正試圖用尋找“地球2.0”去解答。他們既異想天開，又實事求是，對宇宙充滿幻想，對理論不斷修正，創(chuàng)新高精尖的天文儀器，革新“新奇特”的探測方法，把目光對準(zhǔn)了深邃的太空。不久前，中國科學(xué)院紫金山天文臺提出“近鄰宜居行星巡天計劃”(CHES)，通過獨辟蹊徑的技術(shù)手段，為人類探測類地行星。

1 探索系外行星 人類從未停歇

由古至今，人類一直思考著地球與宇宙的關(guān)系，以及人類在宇宙中的地位，由此引發(fā)了天文學(xué)家對于系外行星的探索。

不過，直到1995年，人類才發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系外的行星，這顆系外行星處于銀河系中，環(huán)繞著一顆類太陽恒星公轉(zhuǎn)。發(fā)現(xiàn)這顆行星的瑞士科學(xué)家米歇爾·麥耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)，因此獲得了2019年諾貝爾物理學(xué)獎。

“這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了現(xiàn)代系外行星探測的新時代。”中國科學(xué)院行星科學(xué)重點實驗室主任、紫金山天文臺研究員季江徽介紹，此后人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了超過4200顆系外行星，其中大部分由開普勒望遠鏡探測而得。

開普勒望遠鏡打開了人類觀察宇宙的一個大窗口，自2009年由美國國家航空航天局(NASA)發(fā)射升空后，它單槍匹馬地發(fā)現(xiàn)了近3000顆系外行星，成就了整個行星科學(xué)領(lǐng)域輝煌的十年。

2018年，開普勒望遠鏡“功成身退”，但是人類探測系外行星的腳步不會停歇。作為開普勒望遠鏡的“繼任者”，同年4月，NASA最新的凌日系外行星巡天衛(wèi)星(TESS)順利升空。由NASA、歐洲航天局和加拿大航空航天局聯(lián)合研發(fā)的詹姆斯·韋伯望遠鏡(JWST)，計劃于2021年發(fā)射。此外，2024年，歐洲航天局將使用俄羅斯聯(lián)盟號火箭發(fā)射“柏拉圖號”(PLATO)到日地第二拉格朗日點軌道，它的目標(biāo)是搜索30萬到100萬顆恒星，以期在太陽系外找到可能存在生命或宜居的行星。

面對行星科學(xué)領(lǐng)域激烈的國際競爭，我國也在加緊部署自己的系外行星空間探測項目。2019年，中國航天科技集團公布消息稱，將在2030年前后開展太陽系近鄰宜居行星太空探索計劃——“覓音計劃”，通過發(fā)射空間飛行器，以直接成像手段發(fā)現(xiàn)和認(rèn)證太陽系外宜居行星并刻畫其宜居性。

紫金山天文臺提出的“近鄰宜居行星巡天計劃”，則將通過發(fā)射一個1.2米口徑的高精度天體測量空間望遠鏡，巡查距太陽系32光年外的100個類太陽恒星，探測宜居帶類地行星或超級地球，并普查近鄰行星數(shù)目、真實質(zhì)量和三維軌道等信息，預(yù)期會發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆宜居帶行星或超級地球。

2 在“暗黑”宇宙中捕捉微妙舞步

系外行星離我們?nèi)绱诉b遠，行星亮度又那么微弱，科學(xué)家怎樣才能在“暗黑”的宇宙中搜尋到它們?

“目前，國內(nèi)外尋找系外行星主要通過‘凌星法’完成。”季江徽介紹，即當(dāng)行星運轉(zhuǎn)到恒星前面時，恒星的光度會有非常微弱的改變，通過這個光度的變化便可以發(fā)現(xiàn)那些難以看到的行星。

不過“凌星法”也有其局限性，比如它對觀測設(shè)備和觀測條件有著較高的要求，光度計的測光精度要求優(yōu)于萬分之一;其探測效率較低，大概是萬分之四等。此外，利用“凌星法”探測無法給出該行星的質(zhì)量，需要通過其他方法再度驗證。

不再囿于“凌星法”，紫金山天文臺的“近鄰宜居行星巡天計劃”獨辟蹊徑，大膽地發(fā)展了另外一種尋找行星的辦法“天體測量法”——觀測恒星在行星引力的作用下，在太空中的微妙舞步。

“‘天體測量法’其實是個很經(jīng)典的方法，但是將它用在探測類地行星上是一種技術(shù)創(chuàng)新。”季江徽介紹，在引力的作用下，當(dāng)恒星周圍有一顆行星時，這兩個天體會互相繞轉(zhuǎn)，換言之，如果一顆恒星周圍存在行星，行星就會使恒星產(chǎn)生一個小幅度的擺動。“我們可以通過觀測恒星位置的微小擺動，再扣除恒星自身運動的基本參數(shù)，便能判定出恒星周圍是否存在行星，且可以計算出該行星的質(zhì)量。”由此可以發(fā)現(xiàn)，“天體測量法”相較于“凌星法”還具有一個獨特的優(yōu)勢，即一旦發(fā)現(xiàn)存在的行星后就可確認(rèn)并計算其質(zhì)量，無需再度驗證。

不過，要實現(xiàn)“近鄰宜居行星巡天計劃”，在技術(shù)上需要達到前所未有的精度——微角秒，這相當(dāng)于要在地球上分辨出一枚放在月亮上的硬幣。季江徽告訴記者，目前國際上相關(guān)研究都還沒有達到這種高精度，因此值得下大力氣攻關(guān)，因為一旦取得突破，我們在這一領(lǐng)域的研究就將走向世界前列。目前項目組正在積極進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，預(yù)計在兩年半至三年時間內(nèi)攻克關(guān)鍵核心技術(shù)。

3 終極目標(biāo):尋找宜居行星

人類探測系外行星，終極目標(biāo)是為了尋找宜居行星，即“地球2.0”。季江徽介紹，行星系統(tǒng)中適合生命存在的行星軌道范圍被稱為“宜居帶”，目前已有數(shù)十顆宜居帶行星被發(fā)現(xiàn)，這些天體基本上都分布在紅矮星周圍。不過，宜居帶行星并不等于宜居行星，因為只確定系外行星的位置還遠遠未滿足“宜居”條件。

比如在科幻電影《流浪地球》里，人類的目的地是“比鄰星”——一個離我們最近的恒星系統(tǒng)，它距離太陽只有4.2光年。科學(xué)家在“比鄰星”周圍就發(fā)現(xiàn)了一顆宜居帶類地行星“比鄰星b”，經(jīng)分析它可能存在液態(tài)水。但是由于“比鄰星”的耀斑比太陽還猛烈，因此“比鄰星b”也許并不“宜居”。

怎樣的行星才是真正“宜居”的?季江徽分析，行星的宜居性主要體現(xiàn)在三個方面，分別是宜居行星的宿主恒星類型、宜居行星的位置及宜居行星的質(zhì)量。“尋找到一顆系外行星后，應(yīng)用科學(xué)的方法去分析這顆行星:行星內(nèi)部構(gòu)造及活動是什么樣的?行星系統(tǒng)是如何形成及演化的?”此外，還需要觀察其宜居性的具體體現(xiàn)，如是否有適宜生存的大氣和液態(tài)水等。其中，宜居行星的大氣更為天文學(xué)家和公眾所關(guān)注，一般可通過尋找行星大氣光譜中的“化學(xué)指紋”(如氧氣、二氧化碳等)來判斷其是否適合生命存在，不過，由于無法直接觀測，測量系外行星的大氣成分難度非常大。

“人類對宜居行星的研究還處于探索階段。”季江徽說，目前“近鄰宜居行星巡天計劃”探索的首要科學(xué)目標(biāo)是“找到”類地行星，后續(xù)會酌情考慮行星宜居性的相關(guān)研究。