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天涯若比鄰：尋找“地球2.0” | 賽先生天文

2022/06/29
導(dǎo)讀
“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”究竟是什么？
“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”示意圖。圖片來(lái)源：作者供圖

撰文 | 季江徽（中科院紫金山天文臺(tái)）責(zé)編 | 王馨心、呂浩然

  • 宇宙中是否存在“智慧他者”？

1990年2月14日，旅行者一號(hào)在距我們64億公里處回眸拍攝到一張著名的地球照片：“暗淡藍(lán)點(diǎn)”（圖1）， 揭示了地球只是懸浮在太陽(yáng)系漆黑背景中的一個(gè)孤獨(dú)身影。這張照片不禁引發(fā)了人們對(duì)于地球自身和在宇宙中地位的無(wú)限遐想——“我們?cè)谟钪嬷惺枪陋?dú)的嗎？”“地球是獨(dú)一無(wú)二的嗎？”，以及“行星是如何成為生命搖籃的？”。著名科幻小說《三體》更是直接表達(dá)了對(duì)廣漠而寂靜的宇宙的敬畏和對(duì)宇宙中可能存在的智慧他者的想象。“吾將上下而求索”，其實(shí)，天文學(xué)家一直致力于探索宇宙中系外宜居世界的奧秘。

圖1：“旅行者一號(hào)”探測(cè)器拍攝的“暗淡藍(lán)點(diǎn)”照片。圖片來(lái)源：NASA/JPL-Caltech

今天我們已經(jīng)知悉：在浩渺的宇宙中行星如恒河沙數(shù)，目前在銀河系內(nèi)已發(fā)現(xiàn)了超過5000顆，包括熱木星、溫木星、冷木星、溫海王星、超級(jí)地球和類地行星等類別（圖2）。這些發(fā)現(xiàn)無(wú)疑提供了關(guān)于系外生命信號(hào)探測(cè)的寶貴信息。那么，在眾多的目標(biāo)中，我們究竟應(yīng)該去哪里尋找地外生命呢？


圖2：系外行星的分類。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[8]

我們知道，地球的軌道位于金星與火星之間，恰好處于太陽(yáng)系的“宜居帶”（habitable zone）中（所謂“宜居帶”，指的是行星系統(tǒng)中適合生命存在的行星軌道范圍）。在“宜居帶”內(nèi)，行星表面平均溫度能夠維持液態(tài)水穩(wěn)定存在。同時(shí)，恒星的輻射和活動(dòng)性不能太強(qiáng)，以免破壞行星大氣。目前，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)59顆宜居帶行星，如比鄰星b （Proxima Centauri b）和TRAPPIST-1e,f,g等。宜居帶類地行星就像是宇宙中的“新大陸”，是人類探索生命信號(hào)的主要目標(biāo)，可能存在著理想的人類第二家園。這些“地球2.0”和地球質(zhì)量相當(dāng)，表面更是可能有適宜大氣或液態(tài)水，從而能夠穩(wěn)定地維持生命的存在。

為了探測(cè)“地球2.0”，中國(guó)科學(xué)院遴選出未來(lái)發(fā)射的候選空間任務(wù)：“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”（Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES），是具有獨(dú)特原創(chuàng)性技術(shù)路線的“中國(guó)方案”。該計(jì)劃將發(fā)射一個(gè)1.2米口徑的空間望遠(yuǎn)鏡, 通過微角秒級(jí)的相對(duì)天體測(cè)量方法探測(cè)圍繞100顆近鄰類太陽(yáng)型恒星（距太陽(yáng)系約 32 光年）的宜居帶類地行星。

“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”


CHES將是首個(gè)直接探測(cè)近鄰恒星宜居帶類地行星的空間任務(wù)，其將回答圍繞太陽(yáng)系附近的恒星運(yùn)行的宜居帶行星是否存在，出現(xiàn)宜居行星的概率是多少，以及這些行星如何分布。

目前，距離太陽(yáng)系32光年以內(nèi)發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)目?jī)H占系外行星總數(shù)的2%（圖3黃色柱狀圖），其中宜居帶巖石行星只有16顆，且均圍繞溫度較低的紅矮星運(yùn)行（圖4）。這類恒星表面溫度通常低于3500開爾文（比太陽(yáng)表面溫度5780開爾文低得多），而且空間環(huán)境惡劣，會(huì)有強(qiáng)烈的耀斑，不利于生命存活。所以，探測(cè)“地球2.0”仍然是天文學(xué)的未解之謎。根據(jù)理論推斷，Kepler望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)樣本中每一顆G、K型主序恒星（類太陽(yáng)型恒星）周圍保守宜居帶（conservative habitable zone）內(nèi)存在半徑處于0.5-1.5倍地球半徑的行星的概率大于0.37（Bryson et al. 2020）。但是距離太陽(yáng)系32光年以內(nèi)的類太陽(yáng)型恒星中，大約85%的恒星旁邊依然沒有發(fā)現(xiàn)行星。CHES獨(dú)特的探測(cè)方法將填補(bǔ)近鄰行星的探測(cè)空白，距離發(fā)現(xiàn)真正的“地球2.0”可謂是咫尺之遙。

圖3：距太陽(yáng)系不同距離的恒星所發(fā)現(xiàn)的系外行星所占比例。圖片來(lái)源：作者供圖

圖4：距離太陽(yáng)系10pc范圍內(nèi)已知的宜居帶巖石行星（全部分布在紅矮星周圍），左側(cè)藍(lán)線和右側(cè)紫線為以太陽(yáng)系為參考的宜居帶邊界，中間綠線為保守宜居帶的內(nèi)邊界。圖片來(lái)源：作者供圖

  • 探測(cè)地球2.0的“利劍”—— 微角秒級(jí)天體測(cè)量

系外行星探測(cè)方法主要有視向速度法、凌星法、天體測(cè)量法、直接成像法、微引力透鏡法、脈沖星計(jì)時(shí)法等。目前國(guó)際上現(xiàn)有和未來(lái)計(jì)劃采用凌星法的系外行星空間探測(cè)任務(wù)有：Kepler、TESS（Transiting Exoplanet Survey Satellite）和PLATO（the PLAnetary Transits and Oscillations of stars）。凌星觀測(cè)根據(jù)行星遮擋引起的恒星光度的周期性變化，來(lái)推測(cè)行星的大小和軌道周期，但是系外行星凌星事件發(fā)生概率通常較低（基于Kepler的發(fā)現(xiàn)推測(cè)只有千分之五）， 且恒星活動(dòng)性會(huì)引起假的凌星信號(hào)，需要結(jié)合地基視向速度觀測(cè)對(duì)凌星的行星候選體進(jìn)行證認(rèn)。

視向速度法可以測(cè)量行星擾動(dòng)產(chǎn)生的恒星光譜頻移幅度，但由于無(wú)法測(cè)量全部軌道參數(shù)，僅能獲得其最小質(zhì)量。通過比較不同方法對(duì)系外行星的探測(cè)能力（圖5），可看到CHES在探測(cè)宜居帶類地行星上具有優(yōu)勢(shì)。

與視向速度法和凌星法探測(cè)相比，CHES任務(wù)可以直接測(cè)量出行星的質(zhì)量，而行星質(zhì)量則是刻畫地球2.0的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)；同時(shí)，CHES可得到行星的全部動(dòng)力學(xué)參數(shù), 從而可構(gòu)建行星在空間的三維軌道信息，這對(duì)了解行星形成演化至關(guān)重要。作為Hipparcos衛(wèi)星的繼任者，歐空局2013年發(fā)射的Gaia衛(wèi)星是目前在軌運(yùn)行的精度最高的天體測(cè)量空間望遠(yuǎn)鏡。2022年6月13日，Gaia團(tuán)隊(duì)發(fā)布了Gaia DR3，其中包括利用天體測(cè)量數(shù)據(jù)探測(cè)到的74顆系外行星，由于大約10微角秒的天體測(cè)量精度，絕大部分的發(fā)現(xiàn)為長(zhǎng)周期類木行星。

未來(lái)，Gaia預(yù)計(jì)將發(fā)現(xiàn)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的巨行星和溫海王星。在Gaia和CHES對(duì)系外行星探測(cè)能力的對(duì)比中（圖6），由于CHES的探測(cè)精度更高（微角秒量級(jí)），其將實(shí)現(xiàn)對(duì)近鄰類太陽(yáng)型恒星的全面普查，以填補(bǔ)近鄰行星系統(tǒng)的宜居帶類地行星探測(cè)空白。圍繞尋找“地球2.0”這一科學(xué)目標(biāo)，CHES任務(wù)或?qū)⒔o出明確的答案。

圖5：凌星法、視向速度法和天體測(cè)量法對(duì)宜居行星的探測(cè)能力比較。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]

圖6：Gaia及CHES探測(cè)系外行星能力對(duì)比，圖中“+”表示Gaia基于天體測(cè)量方法發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)周期類木行星，CHES的探測(cè)目標(biāo)包括超級(jí)地球和地球2.0。圖中綠色點(diǎn)表示Kepler發(fā)現(xiàn)的類太陽(yáng)型恒星周圍的超級(jí)地球。圖片來(lái)源：作者供圖

延伸閱讀：“寶劍鋒從磨礪出”——低畸變大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡

CHES的科學(xué)載荷是一臺(tái)口徑為1.2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。CHES將使用外差式激光干涉測(cè)量標(biāo)定技術(shù)準(zhǔn)確測(cè)量一顆目標(biāo)星與6-8顆參考星之間角距的微角秒的變化。在距離太陽(yáng)10pc (約32光年)的類太陽(yáng)型恒星的宜居帶周圍，若探測(cè)具有與地球相同質(zhì)量和軌道的行星時(shí)，探測(cè)信號(hào)強(qiáng)度將達(dá)到0.3微角秒，因此CHES提出了1個(gè)微角秒的單次測(cè)量精度。CHES通過測(cè)量目標(biāo)恒星由其周圍行星的擾動(dòng)引起的非常微小的擺動(dòng)，來(lái)發(fā)現(xiàn)近鄰類太陽(yáng)型恒星的宜居帶類地行星。在中科院“空間科學(xué)（二期）”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)背景型號(hào)項(xiàng)目 ——“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”課題的支持下，來(lái)自中科院紫金山天文臺(tái)、國(guó)家空間科學(xué)中心、光電技術(shù)研究所和微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位科研人員，開展了科學(xué)目標(biāo)的深化論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在微像素星間距測(cè)量和低畸變大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了突破，為科學(xué)任務(wù)的實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

  • “一巡”、“二探”、“三察”—— 科學(xué)發(fā)現(xiàn)預(yù)期

CHES衛(wèi)星將被發(fā)射至太陽(yáng)和地球的拉格朗日L2點(diǎn)，與詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的位置相似。在5年的科學(xué)探測(cè)任務(wù)中，CHES將觀測(cè)所有目標(biāo)恒星，且每顆將被訪問至少50次。CHES任務(wù)將“巡查”太陽(yáng)系近鄰100顆類太陽(yáng)恒星（“一巡”）, “探測(cè)”宜居帶類地行星或“超級(jí)地球”（二探”）, “普查”近鄰系統(tǒng)的行星數(shù)目、真實(shí)質(zhì)量和三維軌道等信息（“三察”）。預(yù)期CHES將會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆宜居帶行星和“超級(jí)地球”，發(fā)現(xiàn)真正的“地球 2.0”。

CHES還將給出近鄰宜居帶行星分布，預(yù)估宜居帶行星出現(xiàn)的概率；對(duì)已發(fā)現(xiàn)的宜居帶行星進(jìn)行精細(xì)的質(zhì)量刻畫，尤其是類太陽(yáng)恒星周圍的類地行星，進(jìn)而探究我們太陽(yáng)系的宜居性和行星演化規(guī)律?；诟呔鹊奶祗w測(cè)量探測(cè)能力，CHES還可測(cè)量X射線雙星質(zhì)量和黑洞質(zhì)量，揭示銀河系暗物質(zhì)分布，針對(duì)當(dāng)前天文學(xué)前沿科學(xué)問題，交出一份讓人期待的答卷。

2030年前后，我國(guó)建議擬開展的宜居行星空間探測(cè)任務(wù)還有：“ET”和“覓音計(jì)劃”。“ET”將利用凌星法與微引力透鏡法，對(duì)銀河系內(nèi)類地行星進(jìn)行大規(guī)模普查。“覓音計(jì)劃”將通過發(fā)射空間探測(cè)器以直接成像的手段發(fā)現(xiàn)和證認(rèn)太陽(yáng)系外宜居行星并刻畫其宜居性。未來(lái)十年，可以預(yù)期中國(guó)天文學(xué)家將在宜居行星探測(cè)領(lǐng)域畫上濃墨重彩的一筆。

  • 作者簡(jiǎn)介

季江徽，中科院紫金山天文臺(tái)研究員、博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任中科院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)天文學(xué)會(huì)行星專業(yè)委員會(huì)主任。研究方向?yàn)橄低庑行?、原行星盤與太陽(yáng)系小天體。

【參考文獻(xiàn)】：[1] Borucki, W., et al. Kepler Planet-Detection Mission: Introduction and First Results. Science,  2010, 327, 977[2] Bryson S, Kunimoto M, Kopparapu R K, et al. The occurrence of rocky habitable-zone planets around solar-like stars from Kepler data. The Astronomical Journal, 2020, 161, 36[3] Ji, J., et al. CHES: a space-borne astrometric mission for the detection of habitable planets of the nearby solar-type stars. Research in Astronomy and Astrophysics, 2022, https://doi.org/10.1088/1674-4527/ac77e4[4] Mayor, M., and Queloz, D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star. Nature,  1995, 378, 355 [5] Kaltenegger, L. How to Characterize Habitable Worlds and Signs of Life. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2017, 55, 433[6] Kopparapu, R. K., Ramirez, R., Kasting, J. F., et al. Habitable Zones around Main-Sequence Stars: New Estimates. ApJ, 2013, 765, 131[7] Zhu W., Dong S. Exoplanet Statistics and Theoretical Implications, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2021, 59, 291[8] https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/[9] https://www.cosmos.esa.int/web/gaia/dr3[10] Zhang  X. Atmospheric regimes and trends on exoplanets and brown dwarfs. Research in Astronomy and Astrophysics, 2020 ,20, 099
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