浩渺宇宙中，地球是人類迄今所知唯一擁有生命的行星。在銀河系的千億恒星中，有沒有類似地球的行星也存在有生命?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?
進(jìn)入21世紀(jì)，面對地球上人口爆炸、氣候變化、資源耗竭等一系列生存挑戰(zhàn)，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。如今，中國科學(xué)家也將加入到搜尋隊(duì)伍中。
在中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目“地球2.0”支持下，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，聯(lián)手開展技術(shù)攻關(guān)，以期在四年后將望遠(yuǎn)鏡送入太空，對銀河系中的類地行星開展“普查”。
科學(xué)家預(yù)計，此次大范圍搜索將能找到約5000個類地行星、約200個流浪行星(不圍繞任何恒星轉(zhuǎn)的行星)，還有十幾個“地球2.0”(適宜人類居住的類地行星)。
尋找“地球2.0”
人類已走到關(guān)鍵路口
行星是宇宙中最基本的天體之一，也是生命和文明的搖籃。宇宙中是否存在其他的智慧生命?是否存在另一個人類宜居的地球?對行星的探測及其形成演化的研究，承載著人類渴望揭開生命起源奧秘、尋求地外生命的強(qiáng)烈愿望。
近20年來，隨著深空探測技術(shù)和系外行星研究的飛速發(fā)展，以及一系列相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)逐步成熟，人類已經(jīng)走到了發(fā)現(xiàn)“第二個地球”的關(guān)鍵路口。
“地球2.0”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院上海天文臺葛健教授介紹，人類要尋找的“地球2.0”得符合兩個“相似”——恒星與太陽相似，行星與地球相似。因此，天文學(xué)家把行星半徑為0.8-1.25個地球半徑、處于恒星系宜居帶的類地行星稱為“地球2.0”。
其實(shí)，這樣的條件非?？量獭８鸾〗忉?，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住;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。此外，這顆行星還得處于恒星系中不太冷也不太熱的“宜居帶”。
盡管條件嚴(yán)苛，但以宇宙之廣袤，能夠入圍的行星也應(yīng)該不少吧?根據(jù)一項(xiàng)理論研究，如果太陽系具有代表性(但遺憾的是，最新觀測結(jié)果表明，太陽系的行星在銀河中不具有代表性)，那么在46億年前太陽系誕生時，宇宙中只有約12%可能適合人類居住的行星產(chǎn)生，即使再過60億年太陽壽命終結(jié)，這個誕生宜居行星的進(jìn)程仍將繼續(xù)。也就是說，宇宙中的類地行星還沒有大量產(chǎn)生。
自初中讀了美國宇宙學(xué)家喬治·伽莫夫的《從一到無窮大》，葛健就對了解太陽系行星起源以及生命是否在宇宙中普遍存在等問題，產(chǎn)生了濃厚興趣。在興趣的指引下，他從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系畢業(yè)后，前往美國亞利桑那大學(xué)攻讀天文學(xué)博士。
1995年，葛健正在攻讀博士時，兩位瑞士天文學(xué)家米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲宣布，他們發(fā)現(xiàn)了太陽系外熱木星行星(兩人因此獲得2019年諾貝爾物理學(xué)獎)。于是，葛健決定在博士研究工作完成后，投身系外行星的尋找。
2006年，他主導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)利用全新技術(shù)光學(xué)干涉光譜儀，在距離地球約100光年的地方，捕捉到了一顆圍繞幼年恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星“ET-1”，由此成為第一個發(fā)現(xiàn)系外行星的華人天文學(xué)家。2018年，他和團(tuán)隊(duì)經(jīng)過130次以上的觀測和后續(xù)數(shù)據(jù)合并分析，在《星際迷航》故事中斯波克家鄉(xiāng)的波江座40A恒星周圍，發(fā)現(xiàn)了一顆類似瓦肯星的行星，被稱為“超級地球”。
2009年，美國國家航空航天局(NASA)發(fā)射開普勒太空望遠(yuǎn)鏡，核心目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)類太陽恒星周圍的宜居類地行星，這也是人類第一次對銀河系行星種群進(jìn)行普查。
開普勒的遺憾
給后來者留出探索空間
令人遺憾的是，開普勒望遠(yuǎn)鏡升空僅四年，就發(fā)生了故障。天文學(xué)家對此感到無比惋惜，同時也開始醞釀新的銀河系“普查”。2018年，NASA發(fā)射凌日系外行星勘測衛(wèi)星(TESS)，以接替開普勒。歐洲空間局緊隨其后，于2019年成功發(fā)射CHEOPS望遠(yuǎn)鏡。
2018年發(fā)現(xiàn)“超級地球”后，葛健就希望中國的科技力量能夠加入到未來的銀河系“行星普查”中。
經(jīng)過仔細(xì)分析研究，葛健和團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，開普勒任務(wù)沒能實(shí)現(xiàn)核心科學(xué)目標(biāo)有兩個重要原因：一是對恒星活動噪聲認(rèn)識不足，二是儀器的噪聲偏高，“當(dāng)時天文學(xué)家對恒星和行星的認(rèn)識還不夠深入，直到望遠(yuǎn)鏡上天之后才發(fā)現(xiàn)問題”。
葛健解釋，開普勒尋找行星主要用的是“凌星法”，也就是行星經(jīng)過恒星表面時所引發(fā)的恒星表面的微弱光度變化。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?？僧?dāng)開普勒上天之后才發(fā)現(xiàn)，大約有2/3的待觀測恒星活動要比太陽劇烈很多。這樣一來，觀測的噪聲非常大，一些小的凌星信號就會被無情淹沒。
再者，開普勒望遠(yuǎn)鏡的視場只有100平方度(月亮的視面積約為0.5平方度)，而全天約為4.1萬平方度。按照朝一個方向觀測一年的節(jié)奏，開普勒要看遍全天需要400多年。一般而言，行星只觀測到一次還不能確認(rèn)，要觀測到三四次才行。因此，開普勒能夠觀測的主要是公轉(zhuǎn)周期在一年以內(nèi)的行星，對于周期超過一年的就無可奈何了。
如此一來，開普勒任務(wù)雖然開啟了人類尋找太陽系外行星的先河，卻給后來者留下了巨大的探索空間。
獨(dú)創(chuàng)“搜星利器”
超大視場+超高精度
2019年，在中國科學(xué)院“空間科學(xué)(二期)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的總體部署下，葛健召集了幾十位科學(xué)家和技術(shù)人員，開始籌劃“地球2.0”項(xiàng)目。
經(jīng)過一年多預(yù)研，項(xiàng)目整體方案最終確定：科學(xué)衛(wèi)星將搭載自主研制的6臺30厘米口徑、500平方度廣角凌星望遠(yuǎn)鏡，1臺30厘米口徑、4平方度微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡，發(fā)射到日-地拉格朗日L2點(diǎn)處，利用超大視場和超高精度的光學(xué)測光，對銀河系內(nèi)類地行星進(jìn)行大規(guī)模普查。
“凌星法”和“微引力透鏡法”觀測對小質(zhì)量行星探測具有高度敏感性，“地球2.0”項(xiàng)目將首次結(jié)合這兩種先進(jìn)的觀測方法。
“我們原先設(shè)計7臺256平方度的望遠(yuǎn)鏡都用凌星法來觀測，優(yōu)化設(shè)計后，每臺凌星望遠(yuǎn)鏡的視場增加到500平方度，這樣每臺望遠(yuǎn)鏡的搜尋能力也就相應(yīng)提高了一倍。”葛健介紹，后來經(jīng)清華大學(xué)天文系系主任毛淑德教授建議，項(xiàng)目方案作了調(diào)整，空出一個載荷位置，放置微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡，對準(zhǔn)銀河系中心觀測。
葛健說，銀河系中心的恒星密度非常大，盡管單個恒星和前景目標(biāo)，包括恒星和行星，能對準(zhǔn)發(fā)生微引力透鏡效應(yīng)的概率很小，但銀心附近數(shù)量龐大的恒星大大增加了發(fā)生微引力透鏡事件的總量，“這樣我們就有機(jī)會發(fā)現(xiàn)不少質(zhì)量較小的行星，甚至‘流浪地球’”。
“開普勒望遠(yuǎn)鏡口徑大約1米，視場做到100平方度已經(jīng)是極限了。但我們創(chuàng)造性地用6個30厘米的較小望遠(yuǎn)鏡來實(shí)現(xiàn)500平方度的超大視場觀測，同時讓6臺望遠(yuǎn)鏡觀測同一個視場的目標(biāo)，并將觀測的數(shù)據(jù)疊加，從而實(shí)現(xiàn)一個較大口徑望遠(yuǎn)鏡的觀測深度。”葛健說，這樣既實(shí)現(xiàn)了超大視場，又實(shí)現(xiàn)了觀測深度的要求，也就可以看到更多星星。
“地球2.0”項(xiàng)目使用了我國自主研發(fā)的CMOS傳感器，它的噪聲非常低，可幫助“地球2.0”衛(wèi)星比開普勒看得更深，同時這也將是人類首次將CMOS用于太空超高精度測光觀測。
此外，在衛(wèi)星姿態(tài)方面，團(tuán)隊(duì)已完成衛(wèi)星飛輪隔震系統(tǒng)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，將于今年4月開展在軌驗(yàn)證;在超高精度測光相機(jī)技術(shù)方面，已完成單探測器相機(jī)空間樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)室組裝，開展了性能的初步測試，探測器噪聲達(dá)到預(yù)期要求;衛(wèi)星載荷的溫控能力也從開普勒10℃上下的變化幅度降到0.6℃以內(nèi)，大大降低了溫度變化帶來的儀器測量噪聲。
有了如此“搜星利器”，葛健對項(xiàng)目實(shí)施信心滿滿：它不僅可以獲得開普勒望遠(yuǎn)鏡5倍的視場，儀器噪聲比開普勒低20倍，同時還能通過使用先進(jìn)的相控陣天線下載數(shù)據(jù)，解決了開普勒數(shù)據(jù)下載不暢的難題?？傮w而言，“我們的巡天能力將是開普勒望遠(yuǎn)鏡的10到15倍”。
超越開普勒
建最大類地行星樣本庫
“地球2.0”項(xiàng)目目前已組建起了由國內(nèi)外30多所大學(xué)和研究所的200多位天文學(xué)家參與的衛(wèi)星科學(xué)團(tuán)隊(duì)，完成了衛(wèi)星的科學(xué)目標(biāo)研究，衛(wèi)星載荷、超高精度導(dǎo)星和衛(wèi)星平臺的設(shè)計方案也均已完成。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，“地球2.0”項(xiàng)目實(shí)施后，將會使人類獲得最大的類地行星樣本庫。
盡管人類迄今仍未發(fā)現(xiàn)一個“地球2.0”，但科學(xué)家們確信“地球2.0”的存在。因?yàn)?，通過開普勒望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家們在一些較安靜的亮星周圍，已經(jīng)找到了300多個周期短(少于20天)、但大小與地球類似的固體行星。
“這些行星很可能是在原恒星氣體盤完全消散后碰撞而成，因此和地球起源最為類似。”葛健說，這些被稱為“亞地球”的行星如果位于宜居區(qū)內(nèi)，很有可能就是我們一直想搜尋的“地球2.0”。
而且，通過對各類類地行星樣本進(jìn)行深入分析，天文學(xué)家還有望揭開類地行星和流浪行星的起源之謎。通過后續(xù)地面和空間望遠(yuǎn)鏡的觀測，測量和研究太陽系外類地行星的質(zhì)量、密度，以及它們上面的大氣、海洋和宜居性特征，甚至有望發(fā)現(xiàn)系外生命跡象，將系外行星科學(xué)研究躍升到“地球時代”。
根據(jù)項(xiàng)目時間表，今年年底前，團(tuán)隊(duì)預(yù)計將完成全部技術(shù)攻關(guān)和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。項(xiàng)目順利立項(xiàng)后，可在2023年著手進(jìn)行衛(wèi)星的制造，2026年底前將可發(fā)射入軌。再經(jīng)過三到六個月的調(diào)試，望遠(yuǎn)鏡最早可在2027年夏天開始目標(biāo)搜尋。
葛健預(yù)計，開始搜尋兩年后，可能會有一些早期發(fā)現(xiàn)，到2031年整個項(xiàng)目的基本任務(wù)將完成。根據(jù)部分模擬，項(xiàng)目預(yù)計將能找到約5000個類地行星，約200個流浪行星，以及十幾個“地球2.0”。
長期以來，歐美在光學(xué)空間系外行星探測方面表現(xiàn)出強(qiáng)大實(shí)力。葛健希望，通過這個項(xiàng)目，中國可以打開新局面，在未來的國際空間系外行星領(lǐng)域引領(lǐng)世界。在他看來，找到“地球2.0”只是第一步，或許還可能通過后隨觀測找到有生命的系外行星。
宜居帶
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。
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，與地球相鄰的金星、火星都不適合人類生存。
行星凌星法
凌星法是一種觀測行星的方法。其觀測原理是在凌星期間，恒星的亮度因前方行星遮掩而減弱，并且這種亮度減弱現(xiàn)象的出現(xiàn)是周期性的，由此便可探知恒星周圍有行星存在。
根據(jù)產(chǎn)生凌星現(xiàn)象時恒星亮度變化，再結(jié)合其他的一些后續(xù)觀測和計算的方法，天文學(xué)家就能比較準(zhǔn)確地分析推測出系外行星的大小、質(zhì)量和密度，以及行星軌道及質(zhì)量參數(shù)等。
該方法是目前應(yīng)用最廣泛、測量精度最高的觀測系外行星的方法。
微引力透鏡法
微引力透鏡法的原理是，遙遠(yuǎn)的星光在穿過系外行星系統(tǒng)時，會受到行星的引力發(fā)生偏折放大，以此可以探測非常遙遠(yuǎn)的系外行星，以及流浪行星。
當(dāng)背景光源與觀測者之間有恒星行星系統(tǒng)經(jīng)過時，恒星行星系統(tǒng)的質(zhì)量會造成其周圍時空的彎曲，從而使背景光源的光線發(fā)生匯聚，觀測者接收到的光線強(qiáng)度會突然增強(qiáng)，引起類似透鏡的效應(yīng)。如果有行星在繞恒星公轉(zhuǎn)時，觀測者接收到的光變曲線就會變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)一個異常的“峰”。通過尋找光變曲線上異常的“峰”，天文學(xué)家就能間接推知行星的存在。(本報記者 許琦敏)
