在观测宇宙方面,南极为天文学家

寻找“地球2.0”，中国科学家提出巡天计划

宇宙中是否存在其他生命，是否存在适合人类居住的第二家园，千百年来吸引着科学家们向宇宙深处看去。

记者近日从中科院紫金山天文台获悉，中国科学家提出了一项“邻近宜居行星巡天计划”(以下简称“CHES”)，计划发射1.2米直径高精度天体测量望远镜空，在日地拉格朗日L2点进行至少5年的常规运行，，将探测100颗距地球约32光年的类太阳恒星。这将是空之间的首个国际探索任务，致力于在附近的类太阳恒星周围寻找宜居的类地行星。

“就宇宙的演化而言，我们无法预测50-100年后地球环境会发生什么变化。我们试图找出宇宙中是否存在其他宜居行星，尤其是在太阳系的邻近恒星周围，然后探索这些行星上是否存在生命或高等文明。”中科院紫金山天文台研究员、“近邻宜居行星巡天项目”项目负责人季告诉科技日报记者，科学家希望通过实施这一项目，为寻找“地球2.0”带来一双慧眼。

01

会寻找与地球相同的质量

可居住区的邻近行星

自1995年发现第一颗太阳系外类木行星以来，已经发现并确认了5000多颗系外行星。这些行星大小不一，形状各异，涉及热木星、亚海王星、岩石行星、超级地球等类型。

2007年发现的Gliese 581c被认为是人类在可居住带发现的第一颗类地行星。2016年，天文学家在距离地球最近的恒星比邻星周围的宜居带发现了另一颗类地行星比邻星B。它的最小质量是地球质量的1.3倍，公转周期只有11.2天。

“太阳系的宜居带在火星和金星之间，地球正好在里面。”根据吉辉的说法，天文学家将行星系统中适合生命存在的行星轨道范围称为“宜居带”。

在“宜居带”中，行星的平均表面温度可以维持液态水的稳定存在，因此可能具备类似地球的生命存在条件。同时，这里恒星的辐射和活动不会太强，避免了行星大气中水分子和二氧化碳分子的电离。甚至剥离了地球的大气层。

“目前，太阳系外的可居住带中大约有50颗类地行星，但它们的质量大多是地球的几到十倍，相当于一颗‘超级地球’。它们大多离地球很远，达到几千光年。而且很多发现的行星都位于红矮星周围，红矮星的表面温度低于3500开尔文。而且空之间的环境比较恶劣，会出现强烈的耀斑，所以我们更关心在距离地球大约32光年的太阳这样的恒星周围，是否存在一个具有宜居带的‘地球2.0’。”吉辉说，CHES计划寻找的“地球2.0”或“孪生地球”是一颗与地球质量相同的行星，其轨道处于宜居带，大气或表面可能存在液态水维持生命。

“附近宜居行星巡天计划”概念图[br/]

“即使人类现在没有能力到达这些类似地球的行星，但这并不影响我们思考人类在宇宙中将走向何方，并找出是否存在其他类似地球的行星。”吉辉说。

02

一种能够勾画系外行星轮廓的凌星方法

很难给这个星球“称重”。

在浩瀚的恒星空中，地球是否是唯一拥有生命的孤独星球，吸引着世界各地的科学家不遗余力地进行深度空探索。他们部署了“行星猎人”来捕捉行星在Tai 空和地球的踪迹。

在Tai 空，美国的开普勒空望远镜和Tess卫星连杆探测系外行星，至今已发现3400多颗系外行星。

在地面上，西班牙-德国CARMENES项目利用西班牙南部的3.5米望远镜，结合近红外观测和光学阶梯光栅光谱仪，搜寻红矮星周围的类地行星；加拿大-法国-夏威夷望远镜开发的新型光谱偏振器SPIRou和美国麦克唐纳天文台开发的可居住带行星探测器，利用视速度法在近红外波段搜索红矮星周围的可居住行星。

江蕙介绍，目前，系外行星探测方法有凌日法、视速度测量法、天体测量法、直接成像法、引力微透镜法等。绝大多数系外行星都是通过视速度测量和凌日法发现的。

“附近宜居行星巡天计划”概念图[br/]

“宇宙中大约73%的恒星是红矮星。由于红矮星的有效温度较低，宜居带靠近主星，质量和体积较小，红矮星周围的行星很容易被凌日法和视速度法探测到。”吉辉解释说，“凌星”是指当一颗行星从恒星前面经过时，它会阻挡恒星发出的光，因此可以通过恒星亮度的周期性变暗来追踪系外行星的凌星事件。这就像金星凌日。当金星从太阳表面缓慢移动时，它挡住了太阳的极小一部分，太阳看起来很暗。凌星观测可以根据恒星光度的周期性变化来推断系外行星的大小和轨道周期。然而，纪并不讳言，虽然方法是有效的，但其探测效率是有限的。

“首先，如果你想看到凌星现象，你对行星的轨道有特殊要求。行星需要刚好经过恒星朝向地球，几乎是观测者视线的方向；但是行星的轨道是随机分布的，所以某些望远镜空探测到凌星的概率只有千分之五。其次，恒星的光度变暗可能是太阳黑子或者恒星的活动造成的。因此，凌日法需要地面上的其他探测方法。所以即使Tess目前已经观测到了近4000颗行星候选者，也只能识别出200多颗行星。第三，凌日法只能测出行星的半径，不能直接给出行星的质量，而行星的质量是刻画地球2.0的关键参数。”吉辉说。

03

创新检测方法

CHES检测精度将达到微角秒。

与Tess等其他卫星采用星体跟踪的方法不同，CHES计划采用空的高精度天体测量方法，精确测量一颗目标星和6-8颗参考星的星间间距。这种微妙的变化反映了目标恒星因其围绕行星的引力扰动而产生的非常微小的摆动。

“通俗地说，如果恒星周围有行星，行星会使恒星产生小的周期性摆动。排除恒星本身的运动，恒星的摆动越小，其周围行星的质量越小，反之亦然。通过观察恒星位置的细微变化，我们可以发现恒星周围是否存在宜居行星，并计算出它们的真实质量和轨道参数。”吉辉说。

在浩瀚宇宙中探索“地球2.0”，需要一双慧眼。吉辉说CHES的科学载荷是一台光学望远镜，口径1.2m，焦距36m，高像质、低畸变、高稳定，可实现全视场近衍射极限成像。

系外行星意境图

按照计划，CHES空望远镜将被送入日地系统第二拉格朗日点的Halo轨道，并将在该轨道上保持至少5年的稳定运行时间。在此期间，将对100颗类太阳恒星进行科学探索，每颗恒星将被观测至少50次，预计将发现约50颗类地行星。

CHES的探测精度将达到前所未有的微角秒级。纪打了个比方。“这就相当于在地球上看月亮，分辨放在月亮上的一元硬币的边缘。”他说，经过多年努力，CHES团队在微像素星间间距测量等关键技术上取得突破，可以满足宜居行星的探测精度要求。如果CHES获得批准，它将是空之间第一个致力于通过使用高精度天体测量寻找可居住行星的国际探索任务。

吉辉说，除了探测宜居行星，这项任务还将对暗物质、黑洞等前沿科学研究做出相应贡献。

如果CHES能够成功“捕捉”这些类地行星的轨迹，我们如何判断它们是否会成为宜居的“被选中的孩子”？吉辉解释说，“除了判断行星的质量和宜居性，还要看它们是否有水和氧气，以及这些行星与已经发现的行星有何不同。”此外，生命的稳定存在还有许多其他条件，如恒星和行星对于生命足够长的寿命、合适的恒星光度、近圆行星稳定的轨道和自转倾角、合适的行星大气和磁场等。

人类如何到达距离地球32光年的可居住类地行星？吉辉想象着，“首先，这需要星际航行能力的加持。比如飞行速度可能需要达到亚光速。此外，还需要了解这些行星的分布情况。这就需要对距离地球32光年的类太阳恒星进行全面的‘星际普查’，为人类未来的发展拓展空空间。”

来源:科技日报