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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劃”究竟是什么？
“近鄰宜居行星巡天計劃”示意圖。圖片來源：作者供圖

撰文 | 季江徽（中科院紫金山天文臺）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”（圖1）， 揭示了地球只是懸浮在太陽系漆黑背景中的一個孤獨身影。這張照片不禁引發(fā)了人們對于地球自身和在宇宙中地位的無限遐想——“我們在宇宙中是孤獨的嗎？”“地球是獨一無二的嗎？”，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)了對廣漠而寂靜的宇宙的敬畏和對宇宙中可能存在的智慧他者的想象。“吾將上下而求索”，其實，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”探測器拍攝的“暗淡藍(lán)點”照片。圖片來源：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、超級地球和類地行星等類別（圖2）。這些發(fā)現(xiàn)無疑提供了關(guān)于系外生命信號探測的寶貴信息。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，恒星的輻射和活動性不能太強，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“地球2.0”，中國科學(xué)院遴選出未來發(fā)射的候選空間任務(wù)：“近鄰宜居行星巡天計劃”（Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES），是具有獨特原創(chuàng)性技術(shù)路線的“中國方案”。該計劃將發(fā)射一個1.2米口徑的空間望遠(yuǎn)鏡, 通過微角秒級的相對天體測量方法探測圍繞100顆近鄰類太陽型恒星（距太陽系約 32 光年）的宜居帶類地行星。

“近鄰宜居行星巡天計劃”


CHES將是首個直接探測近鄰恒星宜居帶類地行星的空間任務(wù)，其將回答圍繞太陽系附近的恒星運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，距離太陽系32光年以內(nèi)發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)目僅占系外行星總數(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行（圖4）。這類恒星表面溫度通常低于3500開爾文（比太陽表面溫度5780開爾文低得多），而且空間環(huán)境惡劣，會有強烈的耀斑，不利于生命存活。所以，探測“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)鏡觀測樣本中每一顆G、K型主序恒星（類太陽型恒星）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）。但是距離太陽系32光年以內(nèi)的類太陽型恒星中，大約85%的恒星旁邊依然沒有發(fā)現(xiàn)行星。CHES獨特的探測方法將填補近鄰行星的探測空白，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。圖片來源：作者供圖

圖4：距離太陽系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。圖片來源：作者供圖

  • 探測地球2.0的“利劍”—— 微角秒級天體測量

系外行星探測方法主要有視向速度法、凌星法、天體測量法、直接成像法、微引力透鏡法、脈沖星計時法等。目前國際上現(xiàn)有和未來計劃采用凌星法的系外行星空間探測任務(wù)有：Kepler、TESS（Transiting Exoplanet Survey Satellite）和PLATO（the PLAnetary Transits and Oscillations of stars）。凌星觀測根據(jù)行星遮擋引起的恒星光度的周期性變化，來推測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)推測只有千分之五）， 且恒星活動性會引起假的凌星信號，需要結(jié)合地基視向速度觀測對凌星的行星候選體進(jìn)行證認(rèn)。

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

與視向速度法和凌星法探測相比，CHES任務(wù)可以直接測量出行星的質(zhì)量，而行星質(zhì)量則是刻畫地球2.0的一個關(guān)鍵參數(shù)；同時，CHES可得到行星的全部動力學(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)星是目前在軌運行的精度最高的天體測量空間望遠(yuǎn)鏡。2022年6月13日，Gaia團(tuán)隊發(fā)布了Gaia DR3，其中包括利用天體測量數(shù)據(jù)探測到的74顆系外行星，由于大約10微角秒的天體測量精度，絕大部分的發(fā)現(xiàn)為長周期類木行星。

未來，Gaia預(yù)計將發(fā)現(xiàn)數(shù)以萬計的巨行星和溫海王星。在Gaia和CHES對系外行星探測能力的對比中（圖6），由于CHES的探測精度更高（微角秒量級），其將實現(xiàn)對近鄰類太陽型恒星的全面普查，以填補近鄰行星系統(tǒng)的宜居帶類地行星探測空白。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量法對宜居行星的探測能力比較。圖片來源：參考文獻(xiàn)[3]

圖6：Gaia及CHES探測系外行星能力對比，圖中“+”表示Gaia基于天體測量方法發(fā)現(xiàn)的長周期類木行星，CHES的探測目標(biāo)包括超級地球和地球2.0。圖中綠色點表示Kepler發(fā)現(xiàn)的類太陽型恒星周圍的超級地球。圖片來源：作者供圖

延伸閱讀：“寶劍鋒從磨礪出”——低畸變大視場望遠(yuǎn)鏡

CHES的科學(xué)載荷是一臺口徑為1.2米的高像質(zhì)、低畸變、高穩(wěn)定光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，可實現(xiàn)全視場近衍射極限成像。CHES將使用外差式激光干涉測量標(biāo)定技術(shù)準(zhǔn)確測量一顆目標(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10pc (約32光年)的類太陽型恒星的宜居帶周圍，若探測具有與地球相同質(zhì)量和軌道的行星時，探測信號強度將達(dá)到0.3微角秒，因此CHES提出了1個微角秒的單次測量精度。CHES通過測量目標(biāo)恒星由其周圍行星的擾動引起的非常微小的擺動，來發(fā)現(xiàn)近鄰類太陽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)科技專項背景型號項目 ——“近鄰宜居行星巡天計劃”課題的支持下，來自中科院紫金山天文臺、國家空間科學(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)，在微像素星間距測量和低畸變大視場望遠(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)的實施奠定了堅實的基礎(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)射至太陽和地球的拉格朗日L2點，與詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的位置相似。在5年的科學(xué)探測任務(wù)中，CHES將觀測所有目標(biāo)恒星，且每顆將被訪問至少50次。CHES任務(wù)將“巡查”太陽系近鄰100顆類太陽恒星（“一巡”）, “探測”宜居帶類地行星或“超級地球”（二探”）, “普查”近鄰系統(tǒng)的行星數(shù)目、真實質(zhì)量和三維軌道等信息（“三察”）。預(yù)期CHES將會發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆宜居帶行星和“超級地球”，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，尤其是類太陽恒星周圍的類地行星，進(jìn)而探究我們太陽系的宜居性和行星演化規(guī)律。基于高精度的天體測量探測能力，CHES還可測量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，我國建議擬開展的宜居行星空間探測任務(wù)還有：“ET”和“覓音計劃”?！癊T”將利用凌星法與微引力透鏡法，對銀河系內(nèi)類地行星進(jìn)行大規(guī)模普查?！耙捯粲媱潯睂⑼ㄟ^發(fā)射空間探測器以直接成像的手段發(fā)現(xiàn)和證認(rèn)太陽系外宜居行星并刻畫其宜居性。未來十年，可以預(yù)期中國天文學(xué)家將在宜居行星探測領(lǐng)域畫上濃墨重彩的一筆。

  • 作者簡介

季江徽，中科院紫金山天文臺研究員、博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任中科院行星科學(xué)重點實驗室主任、中國天文學(xué)會行星專業(yè)委員會主任。研究方向為系外行星、原行星盤與太陽系小天體。

【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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