尋找“地球2.0”，中國不缺位
——中國科學(xué)家提出“近鄰宜居行星巡天計劃”

文/蘭順正

2022年5月，中國科學(xué)家提出一項通過空間望遠(yuǎn)鏡開展的“近鄰宜居行星巡天計劃”，尋找距離地球約32光年的太陽系外宜居類地行星。如果實施，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)，而該則消息也使得關(guān)于尋找宜居類地行星的研究再次成為焦點。

門檻極高的“地球2.0”

眾所周知，在宇宙中，地球是人類迄今所知唯一擁有生命的行星。隨著近些年人口爆漲、氣候變化、資源耗竭等一系列挑戰(zhàn)的不斷爆發(fā)，地球作為人類的唯一立足點已經(jīng)顯得越來越擁擠。而伴隨深空探測技術(shù)的發(fā)展，人類開始嘗試大面積搜索宇宙中的類地行星，以期發(fā)現(xiàn)在浩瀚星海中是否存在其他生命，或者會不會有宜居的類地行星可以成為人類在地球以外的第二個家園。

研究才發(fā)現(xiàn)，人類真是非常的幸運(yùn)，因為一顆行星要成為“地球2.0”是很不容易的。這種行星要符合兩個“相似”——恒星與太陽相似，行星與地球相似，只有行星半徑為0.8～1.25個地球半徑、處于恒星系宜居帶的類地行星才可能成為“地球2.0”。

具體而言，如果行星半徑不足0.8個地球半徑，那它很可能留不住行星表面的大氣層，人類肯定無法長期居??；如果行星半徑太大，那么過重的質(zhì)量會導(dǎo)致其表面到處有火山噴發(fā)，同樣無法具備產(chǎn)生生命的穩(wěn)定環(huán)境。而宜居帶指一顆恒星周圍的一定距離范圍，在這一范圍內(nèi)，恒星傳遞給行星的熱量適中，水可以液態(tài)形式存在；一般認(rèn)為，液態(tài)水是生命出現(xiàn)和存續(xù)不可缺少的因素，因此如果一顆行星恰好落在這一范圍內(nèi)，那么它就被認(rèn)為有更大的機(jī)會擁有生命或至少擁有生命可以生存的環(huán)境；但苛刻的是，在許多恒星系中，這樣的宜居帶可能只有窄窄的一條，就像太陽系八大行星，只有地球恰到好處地“卡”在了宜居帶上，但與地球相鄰的金星、火星就都不適合人類生存。

開創(chuàng)先河的開普勒計劃

目前，天文學(xué)家尋找行星主要有兩種辦法：多普勒視向速度技術(shù)法和凌星法。

多普勒視向速度技術(shù)法就是測量觀測目標(biāo)光譜線的多普勒效應(yīng)。當(dāng)一個星系遠(yuǎn)離我們所在的銀河系時，這個星系的光譜線就會向波長更長、頻率更低的紅色方向部分移動，這種現(xiàn)象稱之為“紅移”。當(dāng)這個星系遠(yuǎn)離我們所在的銀河系時，星系的光譜就會向波長更短、頻率更高的藍(lán)色一方移動，這叫做“藍(lán)移”?？茖W(xué)家利用“紅移”和“藍(lán)移”特性可以測出恒星周圍行星的質(zhì)量和公轉(zhuǎn)周期。

凌星法的原理是利用公轉(zhuǎn)的行星從恒星前方通過時會導(dǎo)致恒星的亮度發(fā)生周期性的微弱變化。目前人類已發(fā)現(xiàn)的系外行星絕大多數(shù)都是通過凌星法發(fā)現(xiàn)的，但是這種探測方法對行星的公轉(zhuǎn)軌道有很高要求，行星需要正好通過恒星朝向地球的方向，可這種情況發(fā)生的幾率很低，同時需要借助于其他探測手段的進(jìn)一步確認(rèn)，而且凌星法通常只能獲得行星的半徑，無法直接給出行星質(zhì)量。

發(fā)現(xiàn)飛馬座51b的上普羅旺斯天文臺1.93米天文望遠(yuǎn)鏡

飛馬座51b及其母星的藝術(shù)想像圖

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡

1995年10月，兩位瑞士天文學(xué)家米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲利用位于法國南部的上普羅旺斯天文臺的1.93米望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了首顆系外行星——飛馬座51b，它位于飛馬座，距離地球約50光年，圍繞著相距800萬千米的恒星飛馬座51運(yùn)轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期約4.2天。這一發(fā)現(xiàn)成為人類歷史上最重要的事件之一，不但證明了太陽系并不孤單，也激起了人類對系外生命的思考，而且對人類在宇宙中的地位有了重新認(rèn)識。兩位天文學(xué)家也因此獲得了2019年諾貝爾物理學(xué)獎。

為了更好地認(rèn)識系外行星世界，美國從2001年開始醞釀開普勒計劃，該計劃的太空運(yùn)行時間從2009年開始到2018年結(jié)束，主要科學(xué)目標(biāo)是通過凌星法發(fā)現(xiàn)類太陽恒星在宜居帶內(nèi)的類地行星，進(jìn)而測量地球在宇宙中的發(fā)生率。不過，開普勒計劃當(dāng)初設(shè)計儀器的探測指標(biāo)時，科學(xué)家是以太陽的活躍度為藍(lán)本的，可當(dāng)望遠(yuǎn)鏡上天之后才發(fā)現(xiàn)，大約有2/3的待觀測恒星活動要比太陽劇烈很多，這樣就會使一些小的凌星信號被淹沒。同時望遠(yuǎn)鏡的視場只有100平方度，而全天約為4.1萬平方度，按照朝一個方向觀測1年的節(jié)奏，望遠(yuǎn)鏡要看遍全天需要400多年。另外行星需要觀測到三四次才能確認(rèn)，因此望遠(yuǎn)鏡能夠觀測的主要是公轉(zhuǎn)周期在1年以內(nèi)的行星。最終的結(jié)果是，雖然開普勒計劃發(fā)現(xiàn)了4000多顆已被確認(rèn)的系外行星和潛在的行星候選者，包括幾個可能繞著小質(zhì)量恒星的宜居帶行星，但是始終沒有找到“第二地球”。而且開普勒計劃發(fā)現(xiàn)銀河系大約90%的行星都分布在比太陽系的水星軌道更近距離的軌道上，這與之前的設(shè)想有很大差別。

與地球最相似的幾個系外行星

凌日系外行星勘測衛(wèi)星

盡管開普勒計劃不能被稱之為成功，但其畢竟開啟了人類尋找太陽系外行星的先河，也鼓舞了后發(fā)者奮力向前。2018年美國宇航局發(fā)射凌日系外行星勘測衛(wèi)星（TESS），以接替開普勒空間望遠(yuǎn)鏡；歐空局則緊隨其后，于2019年成功發(fā)射系外行星特性探測衛(wèi)星（CHEOPS）空間望遠(yuǎn)鏡，其任務(wù)是對“開普勒”和TESS等空間望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)的系外行星進(jìn)行詳細(xì)的后續(xù)研究。

中國自己的巡天計劃

2019年，來自中科院上海天文臺、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、上海技術(shù)物理研究所、西安光學(xué)精密機(jī)械研究所和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的100多位科研人員，提出了“地球2.0”計劃，并于2020年6月獲得科學(xué)院空間先導(dǎo)項目的支持。

據(jù)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(fù)責(zé)人季江徽介紹，“近鄰宜居行星巡天計劃”將長期觀測距離地球約32光年的約100顆類太陽型恒星，有望首次在它們周圍發(fā)現(xiàn)宜居帶類地行星，特別是“地球2.0”，實現(xiàn)“從0到1”的重大突破。據(jù)估算，這一計劃預(yù)計發(fā)現(xiàn)約50顆類地行星?？茖W(xué)家將通過對太陽系近鄰行星系統(tǒng)的細(xì)致普查，給出宜居行星及“超級地球”（數(shù)倍到10倍地球質(zhì)量的系外行星）的數(shù)目、真實質(zhì)量和三維軌道等信息。

在探測方法上，“近鄰宜居行星巡天計劃”將基于空間高精度相對天體測量技術(shù)，精確地測量目標(biāo)恒星中心位置相對于6至8顆標(biāo)準(zhǔn)參考星的極其微小的星間距變化，基于這些細(xì)微的變化來計算目標(biāo)恒星受行星引力擾動所發(fā)生的微小晃動，探測恒星周圍具有真實質(zhì)量的宜居帶類地行星。據(jù)悉，這種方法是天文觀測中的經(jīng)典方法，但是用在探測宜居類地行星上是一種技術(shù)上的原始性創(chuàng)新，而要找到近鄰類太陽型恒星宜居帶的“地球2.0”，需要在測量技術(shù)上達(dá)到微角秒級別的精度，這相當(dāng)于能在地球上分辨出一枚放在月球上的一元硬幣。這種探測方法不受行星軌道面的限制，任何軌道的行星都可以探測到，還可以直接測量宜居行星的質(zhì)量，因此可實現(xiàn)對近鄰類太陽型恒星周圍行星的全面普查。季江徽表示，這些研究將最終回答“太陽系是否很特殊”或“人類在宇宙中是否唯一”等科學(xué)問題，并讓人類更深刻地了解地球和太陽系的形成演化過程，充分地認(rèn)識生命的本質(zhì)和起源，進(jìn)而更深刻地了解人類自身。

CHEOPS空間望遠(yuǎn)鏡

中國“近鄰宜居行星巡天計劃”項目想象圖

根據(jù)計劃，一枚口徑為1.2米的高像質(zhì)、低畸變、高穩(wěn)定光學(xué)望遠(yuǎn)鏡將被送入日地系統(tǒng)第二拉格朗日點的Halo軌道，由于這一軌道受地球引力影響小，熱輻射環(huán)境比較穩(wěn)定，衛(wèi)星消耗很少的燃料即可長期駐留，因此非常適合天文衛(wèi)星開展全天時觀測。而后望遠(yuǎn)鏡將在該軌道維持至少5年的穩(wěn)定運(yùn)行時間，其間將對100顆類太陽型恒星進(jìn)行科學(xué)探測，其中每顆恒星觀測不少于50次。另外，這一任務(wù)對于暗物質(zhì)、黑洞等前沿科學(xué)研究也會作出貢獻(xiàn)。