宇宙中是否有其他生命的存在，又是否有適合人類居住的第二家園，千百年來，吸引科學(xué)家們將探索的目光投向宇宙更深處。近日，記者從中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)獲悉，中國(guó)科學(xué)家們提出一項(xiàng)“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“CHES”）。
計(jì)劃發(fā)射一個(gè)1.2 米口徑的高精度天體測(cè)量空間望遠(yuǎn)鏡，在日地拉格朗日L2點(diǎn)常規(guī)運(yùn)行至少5年時(shí)間，擬探測(cè)距離地球約32光年的100個(gè)類太陽(yáng)型恒星，期望發(fā)現(xiàn)首顆太陽(yáng)系外宜居帶“地球2.0”。這將是國(guó)際上首次專門在近鄰類太陽(yáng)型恒星周圍尋找宜居類地行星的空間探測(cè)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(huì)發(fā)生什么。我們?cè)噲D探尋，宇宙中特別是太陽(yáng)系近鄰恒星周圍是否存在其他宜居行星，進(jìn)而探索這些行星上是否存在生命或高等文明。”中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究員、“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人季江徽告訴科技日?qǐng)?bào)記者，科學(xué)家們希望通過執(zhí)行這項(xiàng)計(jì)劃，為尋找“地球2.0”帶去一雙慧眼。
將尋找與地球質(zhì)量相當(dāng)，處于宜居帶的近鄰行星
人類自1995年發(fā)現(xiàn)第一顆太陽(yáng)系外的類木行星以來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了5000多顆系外行星。這些行星大小不一、形態(tài)各異，涉及熱木星、亞海王星、巖石行星、超級(jí)地球等類型。
2007年發(fā)現(xiàn)的Gliese 581c被認(rèn)為是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆在宜居帶的類地行星。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，其最小質(zhì)量為1.3個(gè)地球質(zhì)量，公轉(zhuǎn)周期僅為11.2天。
“太陽(yáng)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)家將行星系統(tǒng)中適合生命存在的行星軌道范圍稱為“宜居帶”。
在“宜居帶”內(nèi), 行星表面平均溫度能夠維持液態(tài)水穩(wěn)定存在，因此可能擁有與地球類似的生命存在的條件。同時(shí)，這里的恒星輻射和活動(dòng)性不會(huì)太強(qiáng), 以免行星大氣中的水分子、二氧化碳分子發(fā)生電離, 甚至剝離行星大氣。
“目前發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)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十倍，相當(dāng)于一個(gè)個(gè)‘超級(jí)地球’，它們絕大多數(shù)距離地球遙遠(yuǎn)，達(dá)上千光年。而且在發(fā)現(xiàn)的行星中，很多位于紅矮星周圍，紅矮星表面溫度低于3500開爾文，而且空間環(huán)境惡劣，會(huì)有強(qiáng)烈的耀斑，所以我們更關(guān)注距離地球約32光年類似太陽(yáng)這樣的恒星周圍，有沒有宜居帶的‘地球2.0’。”季江徽說，CHES計(jì)劃要找的“地球2.0”或者說“孿生地球”，就是和地球質(zhì)量相當(dāng)，軌道處于宜居帶，大氣或者表面可能有液態(tài)水來維持生命存在的行星。
“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”構(gòu)想圖。
“即使人類現(xiàn)在沒有能力達(dá)到這些類地行星，也并不影響我們思考人類在宇宙中將何去何從，去發(fā)現(xiàn)是否還有與地球一樣的行星。”季江徽表示。
能勾畫系外行星輪廓的凌星法，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(dú)星球，吸引著各國(guó)科學(xué)家不遺余力地進(jìn)行深空探測(cè)。他們?cè)谔蘸偷厍�，部署一個(gè)個(gè)“行星獵手”捕捉行星蹤跡。
在太空中，美國(guó)的“開普勒”空間望遠(yuǎn)鏡和“苔絲”衛(wèi)星接棒探測(cè)系外行星，迄今共發(fā)現(xiàn)了3400多顆。
在地面，西班牙-德國(guó)的CARMENES項(xiàng)目，利用西班牙南部的3.5米口徑望遠(yuǎn)鏡，結(jié)合近紅外觀測(cè)與光學(xué)階梯光柵光譜儀搜尋紅矮星周圍的類地行星；加拿大-法國(guó)-夏威夷望遠(yuǎn)鏡開發(fā)的新型光譜偏振儀“SPIRou”和美國(guó)麥克唐納天文臺(tái)的“宜居帶行星探測(cè)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(cè)方法有凌星法、視向速度測(cè)量法、天體測(cè)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(cè)量法和凌星法發(fā)現(xiàn)的。
“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”構(gòu)想圖。
“在宇宙中大約73%的恒星為紅矮星，由于紅矮星有效溫度低、宜居帶距離主星近，質(zhì)量和體積小，因此紅矮星周圍的行星易于被凌星法和視向速度法探測(cè)到。”季江徽解釋，“凌星”指的是當(dāng)行星從恒星前方經(jīng)過時(shí)，會(huì)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，這就好比金星凌日，金星從太陽(yáng)表面緩慢移動(dòng)時(shí)，把太陽(yáng)的極小一部分擋住，太陽(yáng)看上去就變暗了。凌星觀測(cè)可以根據(jù)恒星光度的周期性變化，來推測(cè)系外行星的大小和軌道周期。但季江徽并不諱言，凌星法雖有效，但探測(cè)效率受限。
“首先，想看到凌星現(xiàn)象，對(duì)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，幾乎在觀測(cè)者的視線方向；但行星的軌道是隨機(jī)分布的，所以有的空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的凌星的發(fā)生概率只有千分之五。其次，恒星光度減弱變暗，有可能是由于恒星的黑子或恒星活動(dòng)等引起的，因此凌星法還需要地面其他探測(cè)方法證認(rèn)。所以即便目前‘苔絲’觀測(cè)到近4000個(gè)行星候選體，但能證認(rèn)的只有200多顆行星。第三，凌星法僅能測(cè)出行星的半徑，無法直接給出行星的質(zhì)量，而行星質(zhì)量是刻畫地球2.0的關(guān)鍵參數(shù)。”季江徽說。
創(chuàng)新探測(cè)方法，CHES探測(cè)精度將達(dá)微角秒級(jí)
與苔絲等衛(wèi)星采用凌星探測(cè)方法不同， CHES計(jì)劃將采用空間微角秒級(jí)別的高精度天體測(cè)量法，精確測(cè)量一顆目標(biāo)恒星和6-8顆參考恒星之間的微角秒級(jí)別的星間距，這一細(xì)微的變化反映了目標(biāo)恒星因其繞轉(zhuǎn)行星的引力擾動(dòng)而引起的非常微小的擺動(dòng)。
“通俗地說，如果一顆恒星周圍存在行星，行星會(huì)使恒星產(chǎn)生一個(gè)小幅度的周期性擺動(dòng)。排除恒星自身運(yùn)動(dòng)后，恒星擺動(dòng)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(cè)恒星位置的微小變化，就能發(fā)現(xiàn)恒星周圍是否存在宜居行星，并算出它們的真實(shí)質(zhì)量和軌道參數(shù)。”季江徽說。
在浩瀚宇宙中探測(cè)“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(tái)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(yuǎn)鏡，可實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)近衍射極限成像。
系外行星藝術(shù)構(gòu)想圖。
根據(jù)計(jì)劃，CHES空間望遠(yuǎn)鏡將被送入日地系統(tǒng)第二拉格朗日點(diǎn)的Halo軌道，并在該軌道維持至少5年的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間，期間將對(duì)100顆類太陽(yáng)型恒星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，其中每顆恒星觀測(cè)不少于50次，預(yù)計(jì)發(fā)現(xiàn)約50顆類地行星。
CHES的探測(cè)精度將達(dá)到前所未有的微角秒級(jí)，季江徽打了個(gè)比方，“這相當(dāng)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(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的努力，在微像素星間距測(cè)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(cè)精度要求。如果CHES得到立項(xiàng)，將是國(guó)際上首次利用高精度天體測(cè)量法專門尋找宜居行星的空間探測(cè)任務(wù)。
季江徽表示，這一任務(wù)除了探測(cè)宜居行星外，對(duì)于暗物質(zhì)、黑洞等前沿科學(xué)研究也會(huì)作出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。
如果CHES能成功 “捕捉”到這些類地行星的軌跡，如何判斷它們會(huì)不會(huì)成為宜居的“天選之子”？季江徽解釋，“除了判斷行星的質(zhì)量、是否宜居，還要看它們是否有水、氧氣，看看這些行星與已經(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條件，如以供生命產(chǎn)生的足夠長(zhǎng)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(chǎng)等。
距離地球32光年的宜居帶類地行星，人類又如何能夠抵達(dá)？季江徽暢想，“這首先需要星際航行能力的加持，例如飛行速度可能需要達(dá)到亞光速，此外也需要了解這些行星的分布情況，這需要對(duì)距離地球32光年的類太陽(yáng)型恒星，進(jìn)行全面‘星際普查’，為人類的未來發(fā)展拓展空間。”
