探測32光年外恒星 尋找“地球2.0”

“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(wěn)定光學(xué)望遠鏡，可實現(xiàn)全視場近衍射極限成像。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？是否有適合人類居住的第二家園？千百年來，為了尋找答案，科學(xué)家將探索的目光投向宇宙深處。

近日，中國科學(xué)家提出的“近鄰宜居行星巡天計劃”（以下簡稱CHES），入選了中國科學(xué)院空間科學(xué)三期衛(wèi)星的候選項目。在中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項支持下，由中國多家科研機構(gòu)組成的團隊目前已開展了前期研究。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)方面取得了重要進展。

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光年處的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(wù)。

“就宇宙演化而言，我們無法預(yù)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。”中國科學(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。

尋找與地球質(zhì)量相當?shù)慕徯行?/p>

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，包括熱木星、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。

“太陽系內(nèi)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(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，這里的恒星輻射等不會太強，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(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10倍，相當于‘超級地球，它們中絕大多數(shù)距離地球十分遙遠，達上千光年。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，會有強烈的耀斑，所以我們更應(yīng)關(guān)注距離地球約32光年類似太陽這樣的恒星周圍，有沒有位于宜居帶的‘地球2.0。”季江徽說，CHES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，大氣或者天體表面可能有液態(tài)水來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星球？為了回答這個問題，各國科學(xué)家不遺余力地開展深空探測，他們在太空和地球，部署了一個個“行星獵手”，捕捉類地行星的蹤跡。

在太空，美國的開普勒太空望遠鏡和“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(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—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。

“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到。”季江徽解釋道，凌星指的是當行星從恒星前方經(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。科學(xué)家也可以根據(jù)恒星的這種光度周期性變化，來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。“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，且行星的軌道面需要和觀測視線方向幾乎平行，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0.5%。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等引起的，因此凌星法還需要地面以及其他觀測方法的證認。所以即便目前‘苔絲衛(wèi)星觀測到近4000個行星候選體，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。

CHES探測精度將達微角秒級

與“苔絲”衛(wèi)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(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(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(wěn)定光學(xué)望遠鏡，可實現(xiàn)全視場近衍射極限成像。

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，其間將對100顆類太陽型恒星進行科學(xué)探測，其中每顆恒星觀測不少于50次，預(yù)計發(fā)現(xiàn)約50顆類地行星。

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。”他說，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(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)研究也會作出相應(yīng)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。”此外，生命的穩(wěn)定存在還有許多其他限制條件，如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。