“地球2.0”計(jì)劃：尋找人類新家園

四川省南充市纖維檢驗(yàn)所 陳春全

隨著《流浪地球2》的上映，當(dāng)面對(duì)不可抗力危機(jī)時(shí)，人類應(yīng)該何去何從的問題，也成了大家議論的熱點(diǎn)。帶著地球去流浪，想法很浪漫，但基本沒有什么實(shí)際可操作性。那么，在茫茫宇宙之中，我們能不能找到另外一顆適合人類居住的星球呢？“地球2.0”計(jì)劃已經(jīng)悄然拉開了序幕。

“地球2.0”計(jì)劃

“地球2.0”計(jì)劃全稱為“地球2.0 超級(jí)開普勒凌星巡天計(jì)劃”，其核心目標(biāo)就是要在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)位于不同軌道上的大量類地行星樣本。其中，找到處于類太陽(yáng)恒星的宜居帶內(nèi)，直徑是地球直徑0.8～1.25 倍的適宜人類居住的行星則是重中之重。目前，中科院上海天文臺(tái)、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等80 余所大學(xué)和研究所正在對(duì)此項(xiàng)目進(jìn)行仿真研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

據(jù)“地球2.0”計(jì)劃的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海天文臺(tái)的講席教授葛健介紹，目前這個(gè)計(jì)劃大致可分為四步：第一步是先對(duì)銀河系里的行星進(jìn)行“普查”，分析篩選出符合條件的行星；第二步開始利用專業(yè)設(shè)備對(duì)通過“海選”的這些行星進(jìn)行進(jìn)一步分析研判；第三步則是給已經(jīng)通過“預(yù)賽”的行星拍攝高分辨率的特寫照片；最后一步就是對(duì)進(jìn)入“復(fù)賽”的行星展開長(zhǎng)時(shí)間、更精細(xì)的觀測(cè)。

然而，要執(zhí)行并完成“地球2.0”計(jì)劃則是困難重重。它需要空間超高精度測(cè)光的凌星技術(shù)、地面超高精度的視向速度測(cè)量技術(shù)、空間高分辨率和高對(duì)比度的成像技術(shù)等高科技手段相結(jié)合才能完成。

據(jù)葛健教授說(shuō)，隨著近些年系外行星研究的飛速發(fā)展，以及相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，我們實(shí)際上已經(jīng)走到了發(fā)現(xiàn)“地球2.0”的關(guān)鍵十字路口。繼續(xù)往前走，發(fā)現(xiàn)第二個(gè)“地球”便指日可待。因此，由中科院牽頭的“地球2.0”計(jì)劃才得以開始實(shí)施。

上海天文館

行星觀察法

一般來(lái)說(shuō)，小質(zhì)量的行星都位于恒星系統(tǒng)的內(nèi)部，而地球是太陽(yáng)系由內(nèi)到外的第三顆行星。由于距離遙遠(yuǎn)，我們目前發(fā)現(xiàn)的系外行星幾乎都要比地球大很多。因此，我們要完成“地球2.0”計(jì)劃，找到小質(zhì)量的類地行星，就需要用到“凌星法”和“微引力透鏡法”這兩個(gè)重要的觀察手段。

“凌星法”全稱為“行星凌星法”。眾所周知，當(dāng)行星圍繞恒星運(yùn)行到恒星朝向地球的一面時(shí)，就會(huì)發(fā)生“凌星”現(xiàn)象。而當(dāng)凌星現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，恒星的光亮由于被行星遮擋自然就會(huì)有所減弱。所謂“凌星法”就是在發(fā)生凌星現(xiàn)象時(shí)，通過分析恒星亮度變化從而推算行星軌道及質(zhì)量參數(shù)的一種觀測(cè)方法。

科學(xué)家們可以通過“凌星法”來(lái)觀測(cè)系外恒星亮度的變化程度，從而確定圍繞它運(yùn)動(dòng)的行星的軌道傾斜角度，進(jìn)而估算出這顆行星的質(zhì)量。由于在“凌星”現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，恒星的光線會(huì)穿過行星的最外層大氣，所以科學(xué)家們便可以通過分析此時(shí)恒星的光譜，了解這顆行星的大氣成分、溫度等情況。

引力透鏡效應(yīng)是愛因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)言的一種現(xiàn)象，后來(lái)被證實(shí)為強(qiáng)引力場(chǎng)中一種特殊的光學(xué)效應(yīng)。由于光線經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，所以當(dāng)光源的直線上有一個(gè)大質(zhì)量的天體時(shí)，人們會(huì)看到由于光線彎曲而形成的一個(gè)或多個(gè)像。

而微引力透鏡現(xiàn)象，則是發(fā)生在恒星級(jí)天體中的引力透鏡現(xiàn)象。它能夠幫助我們觀測(cè)發(fā)光很少或是不發(fā)光的行星、白矮星、紅矮星及小質(zhì)量黑洞等天體。尤其是對(duì)于尋找質(zhì)量小、適合人類居住的行星，“微引力透鏡法”具有很高的敏感度。

金星凌日

空間望遠(yuǎn)鏡

“地球2.0”計(jì)劃自然需要更加高端、大氣、上檔次的技術(shù)裝備才能完成。其中，光學(xué)凌星望遠(yuǎn)鏡是必不可少的設(shè)備之一。我國(guó)目前最大的通用天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在中科院麗江觀測(cè)站。它高8 米，重40 多噸，通光孔徑2.4 米，配備有暗弱天體光譜儀照相機(jī)、3 000 萬(wàn)像素的拼接CCD 相機(jī)等，主要用來(lái)對(duì)恒星以及星系進(jìn)行觀測(cè)。但是，要完成尋找適宜人類居住行星的任務(wù)，僅靠地面望遠(yuǎn)鏡還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

據(jù)了解，“地球2.0”計(jì)劃需要研制6 臺(tái)30 厘米口徑、500 平方度廣角的光學(xué)凌星望遠(yuǎn)鏡和1 臺(tái)35 厘米口徑、4 平方度的微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡。然后再將它們搭載到衛(wèi)星上，并且發(fā)射到“日-地拉格朗日L2 點(diǎn)”處，才能完成銀河系內(nèi)類地行星的大規(guī)?！捌詹椤比蝿?wù)。

所謂的“日-地拉格朗日L2 點(diǎn)”，是指在太陽(yáng)和地球兩大天體引力作用下，衛(wèi)星能保持相對(duì)靜止的那個(gè)點(diǎn)，該類點(diǎn)一共有5 個(gè)，L2 是其中一個(gè)點(diǎn)的編號(hào)。由于這個(gè)點(diǎn)是數(shù)學(xué)家拉格朗日首先推導(dǎo)并證明的，所以便用他的名字命名以示紀(jì)念。在“日-地拉格朗日L2 點(diǎn)”處，衛(wèi)星只需要消耗很少的燃料便可長(zhǎng)期駐留，因此這里也是探測(cè)器、天體望遠(yuǎn)鏡定位和觀測(cè)太陽(yáng)系的理想位置。

當(dāng)我國(guó)的光學(xué)凌星望遠(yuǎn)鏡和微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡研制成功，并隨同衛(wèi)星到達(dá)太空開始工作之后，我們便可以利用它們超大的視場(chǎng)以及超高精度的光學(xué)測(cè)光能力來(lái)執(zhí)行“地球2.0”計(jì)劃了。

引力透鏡現(xiàn)象