天涯若比邻：寻找“地球2.0” | 赛先生天文-资讯-知识分子

天涯若比邻：寻找“地球2.0” | 赛先生天文

2022/06/29

导读

“近邻宜居行星巡天计划”究竟是什么？

“近邻宜居行星巡天计划”示意图。图片来源：作者供图

撰文 | 季江徽（中科院紫金山天文台）责编 | 王馨心、吕浩然

宇宙中是否存在“智慧他者”？

1990年2月14日，旅行者一号在距我们64亿公里处回眸拍摄到一张著名的地球照片：“暗淡蓝点”（图1），揭示了地球只是悬浮在太阳系漆黑背景中的一个孤独身影。这张照片不禁引发了人们对于地球自身和在宇宙中地位的无限遐想——“我们在宇宙中是孤独的吗？”“地球是独一无二的吗？”，以及“行星是如何成为生命摇篮的？”。著名科幻小说《三体》更是直接表达了对广漠而寂静的宇宙的敬畏和对宇宙中可能存在的智慧他者的想象。“吾将上下而求索”，其实，天文学家一直致力于探索宇宙中系外宜居世界的奥秘。

图1：“旅行者一号”探测器拍摄的“暗淡蓝点”照片。图片来源：NASA/JPL-Caltech

今天我们已经知悉：在浩渺的宇宙中行星如恒河沙数，目前在银河系内已发现了超过5000颗，包括热木星、温木星、冷木星、温海王星、超级地球和类地行星等类别（图2）。这些发现无疑提供了关于系外生命信号探测的宝贵信息。那么，在众多的目标中，我们究竟应该去哪里寻找地外生命呢？

图2：系外行星的分类。图片来源：参考文献[8]

我们知道，地球的轨道位于金星与火星之间，恰好处于太阳系的“宜居带”（habitable zone）中（所谓“宜居带”，指的是行星系统中适合生命存在的行星轨道范围）。在“宜居带”内，行星表面平均温度能够维持液态水稳定存在。同时，恒星的辐射和活动性不能太强，以免破坏行星大气。目前，天文学家已发现59颗宜居带行星，如比邻星b （Proxima Centauri b）和TRAPPIST-1e,f,g等。宜居带类地行星就像是宇宙中的“新大陆”，是人类探索生命信号的主要目标，可能存在着理想的人类第二家园。这些“地球2.0”和地球质量相当，表面更是可能有适宜大气或液态水，从而能够稳定地维持生命的存在。

为了探测“地球2.0”，中国科学院遴选出未来发射的候选空间任务：“近邻宜居行星巡天计划”（Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES），是具有独特原创性技术路线的“中国方案”。该计划将发射一个1.2米口径的空间望远镜, 通过微角秒级的相对天体测量方法探测围绕100颗近邻类太阳型恒星（距太阳系约 32 光年）的宜居带类地行星。

“近邻宜居行星巡天计划”

CHES将是首个直接探测近邻恒星宜居带类地行星的空间任务，其将回答围绕太阳系附近的恒星运行的宜居带行星是否存在，出现宜居行星的概率是多少，以及这些行星如何分布。

目前，距离太阳系32光年以内发现的行星数目仅占系外行星总数的2%（图3黄色柱状图），其中宜居带岩石行星只有16颗，且均围绕温度较低的红矮星运行（图4）。这类恒星表面温度通常低于3500开尔文（比太阳表面温度5780开尔文低得多），而且空间环境恶劣，会有强烈的耀斑，不利于生命存活。所以，探测“地球2.0”仍然是天文学的未解之谜。根据理论推断，Kepler望远镜观测样本中每一颗G、K型主序恒星（类太阳型恒星）周围保守宜居带（conservative habitable zone）内存在半径处于0.5-1.5倍地球半径的行星的概率大于0.37（Bryson et al. 2020）。但是距离太阳系32光年以内的类太阳型恒星中，大约85%的恒星旁边依然没有发现行星。CHES独特的探测方法将填补近邻行星的探测空白，距离发现真正的“地球2.0”可谓是咫尺之遥。

图3：距太阳系不同距离的恒星所发现的系外行星所占比例。图片来源：作者供图

图4：距离太阳系10pc范围内已知的宜居带岩石行星（全部分布在红矮星周围），左侧蓝线和右侧紫线为以太阳系为参考的宜居带边界，中间绿线为保守宜居带的内边界。图片来源：作者供图

探测地球2.0的“利剑”—— 微角秒级天体测量

系外行星探测方法主要有视向速度法、凌星法、天体测量法、直接成像法、微引力透镜法、脉冲星计时法等。目前国际上现有和未来计划采用凌星法的系外行星空间探测任务有：Kepler、TESS（Transiting Exoplanet Survey Satellite）和PLATO（the PLAnetary Transits and Oscillations of stars）。凌星观测根据行星遮挡引起的恒星光度的周期性变化，来推测行星的大小和轨道周期，但是系外行星凌星事件发生概率通常较低（基于Kepler的发现推测只有千分之五），且恒星活动性会引起假的凌星信号，需要结合地基视向速度观测对凌星的行星候选体进行证认。

视向速度法可以测量行星扰动产生的恒星光谱频移幅度，但由于无法测量全部轨道参数，仅能获得其最小质量。通过比较不同方法对系外行星的探测能力（图5），可看到CHES在探测宜居带类地行星上具有优势。

与视向速度法和凌星法探测相比，CHES任务可以直接测量出行星的质量，而行星质量则是刻画地球2.0的一个关键参数；同时，CHES可得到行星的全部动力学参数, 从而可构建行星在空间的三维轨道信息，这对了解行星形成演化至关重要。作为Hipparcos卫星的继任者，欧空局2013年发射的Gaia卫星是目前在轨运行的精度最高的天体测量空间望远镜。2022年6月13日，Gaia团队发布了Gaia DR3，其中包括利用天体测量数据探测到的74颗系外行星，由于大约10微角秒的天体测量精度，绝大部分的发现为长周期类木行星。

未来，Gaia预计将发现数以万计的巨行星和温海王星。在Gaia和CHES对系外行星探测能力的对比中（图6），由于CHES的探测精度更高（微角秒量级），其将实现对近邻类太阳型恒星的全面普查，以填补近邻行星系统的宜居带类地行星探测空白。围绕寻找“地球2.0”这一科学目标，CHES任务或将给出明确的答案。

图5：凌星法、视向速度法和天体测量法对宜居行星的探测能力比较。图片来源：参考文献[3]

图6：Gaia及CHES探测系外行星能力对比，图中“+”表示Gaia基于天体测量方法发现的长周期类木行星，CHES的探测目标包括超级地球和地球2.0。图中绿色点表示Kepler发现的类太阳型恒星周围的超级地球。图片来源：作者供图

延伸阅读：“宝剑锋从磨砺出”——低畸变大视场望远镜

CHES的科学载荷是一台口径为1.2米的高像质、低畸变、高稳定光学望远镜，可实现全视场近衍射极限成像。CHES将使用外差式激光干涉测量标定技术准确测量一颗目标星与6-8颗参考星之间角距的微角秒的变化。在距离太阳10pc (约32光年)的类太阳型恒星的宜居带周围，若探测具有与地球相同质量和轨道的行星时，探测信号强度将达到0.3微角秒，因此CHES提出了1个微角秒的单次测量精度。CHES通过测量目标恒星由其周围行星的扰动引起的非常微小的摆动，来发现近邻类太阳型恒星的宜居带类地行星。在中科院“空间科学（二期）”战略性先导科技专项背景型号项目 ——“近邻宜居行星巡天计划”课题的支持下，来自中科院紫金山天文台、国家空间科学中心、光电技术研究所和微小卫星创新研究院等单位科研人员，开展了科学目标的深化论证和关键技术攻关，在微像素星间距测量和低畸变大视场望远镜光学系统等关键技术方面取得了突破，为科学任务的实施奠定了坚实的基础。

“一巡”、“二探”、“三察”—— 科学发现预期

CHES卫星将被发射至太阳和地球的拉格朗日L2点，与詹姆斯·韦伯望远镜的位置相似。在5年的科学探测任务中，CHES将观测所有目标恒星，且每颗将被访问至少50次。CHES任务将“巡查”太阳系近邻100颗类太阳恒星（“一巡”）, “探测”宜居带类地行星或“超级地球”（二探”）, “普查”近邻系统的行星数目、真实质量和三维轨道等信息（“三察”）。预期CHES将会发现数十颗宜居带行星和“超级地球”，发现真正的“地球 2.0”。

CHES还将给出近邻宜居带行星分布，预估宜居带行星出现的概率；对已发现的宜居带行星进行精细的质量刻画，尤其是类太阳恒星周围的类地行星，进而探究我们太阳系的宜居性和行星演化规律。基于高精度的天体测量探测能力，CHES还可测量X射线双星质量和黑洞质量，揭示银河系暗物质分布，针对当前天文学前沿科学问题，交出一份让人期待的答卷。

2030年前后，我国建议拟开展的宜居行星空间探测任务还有：“ET”和“觅音计划”。“ET”将利用凌星法与微引力透镜法，对银河系内类地行星进行大规模普查。“觅音计划”将通过发射空间探测器以直接成像的手段发现和证认太阳系外宜居行星并刻画其宜居性。未来十年，可以预期中国天文学家将在宜居行星探测领域画上浓墨重彩的一笔。

作者简介

季江徽，中科院紫金山天文台研究员、博士生导师。现任中科院行星科学重点实验室主任、中国天文学会行星专业委员会主任。研究方向为系外行星、原行星盘与太阳系小天体。

【参考文献】：[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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