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(huì)不會(huì)有宜居的類地行星，可以成為人類在地球以外的第二個(gè)家園?
進(jìn)入21世紀(jì)，面對(duì)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(cè)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(guó)科學(xué)家也將加入到搜尋隊(duì)伍中。
在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目“地球2.0”支持下，來(lái)自中科院上海天文臺(tái)、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(guó)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(duì)銀河系中的類地行星開展“普查”。
科學(xué)家預(yù)計(jì)，此次大范圍搜索將能找到約5000個(gè)類地行星、約200個(gè)流浪行星(不圍繞任何恒星轉(zhuǎn)的行星)，還有十幾個(gè)“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(gè)人類宜居的地球?對(duì)行星的探測(cè)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(lái)，隨著深空探測(cè)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(gè)地球”的關(guān)鍵路口。
“地球2.0”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)葛健教授介紹，人類要尋找的“地球2.0”得符合兩個(gè)“相似”——恒星與太陽(yáng)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(gè)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?。葛健解釋，如果行星半徑不足0.8個(gè)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(wú)法長(zhǎng)期居住;如果行星半徑太大，那么過(guò)重的質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致其表面到處有火山噴發(fā)，同樣無(wú)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(yáng)系具有代表性(但遺憾的是，最新觀測(cè)結(jié)果表明，太陽(yáng)系的行星在銀河中不具有代表性)，那么在46億年前太陽(yáng)系誕生時(shí)，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(guò)60億年太陽(yáng)壽命終結(jié)，這個(gè)誕生宜居行星的進(jìn)程仍將繼續(xù)。也就是說(shuō)，宇宙中的類地行星還沒有大量產(chǎn)生。
自初中讀了美國(guó)宇宙學(xué)家喬治·伽莫夫的《從一到無(wú)窮大》，葛健就對(duì)了解太陽(yáng)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系畢業(yè)后，前往美國(guó)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(shí)，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(yáng)系外熱木星行星(兩人因此獲得2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。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(gè)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(guò)130次以上的觀測(cè)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(jí)地球”。
2009年，美國(guó)國(guó)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(yáng)恒星周圍的宜居類地行星，這也是人類第一次對(duì)銀河系行星種群進(jìn)行普查。
開普勒的遺憾
給后來(lái)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(duì)此感到無(wú)比惋惜，同時(shí)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(cè)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(jí)地球”后，葛健就希望中國(guó)的科技力量能夠加入到未來(lái)的銀河系“行星普查”中。
經(jīng)過(guò)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(gè)重要原因：一是對(duì)恒星活動(dòng)噪聲認(rèn)識(shí)不足，二是儀器的噪聲偏高，“當(dāng)時(shí)天文學(xué)家對(duì)恒星和行星的認(rèn)識(shí)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(guò)恒星表面時(shí)所引發(fā)的恒星表面的微弱光度變化。當(dāng)初設(shè)計(jì)儀器的探測(cè)指標(biāo)時(shí)，科學(xué)家是以太陽(yáng)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(cè)恒星活動(dòng)要比太陽(yáng)劇烈很多。這樣一來(lái)，觀測(cè)的噪聲非常大，一些小的凌星信號(hào)就會(huì)被無(wú)情淹沒。
再者，開普勒望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)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(wàn)平方度。按照朝一個(gè)方向觀測(cè)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(cè)到一次還不能確認(rèn)，要觀測(cè)到三四次才行。因此，開普勒能夠觀測(cè)的主要是公轉(zhuǎn)周期在一年以內(nèi)的行星，對(duì)于周期超過(guò)一年的就無(wú)可奈何了。
如此一來(lái)，開普勒任務(wù)雖然開啟了人類尋找太陽(yáng)系外行星的先河，卻給后來(lái)者留下了巨大的探索空間。
獨(dú)創(chuàng)“搜星利器”
超大視場(chǎng)+超高精度
2019年，在中國(guó)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(guò)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(tái)30厘米口徑、500平方度廣角凌星望遠(yuǎn)鏡，1臺(tái)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(chǎng)和超高精度的光學(xué)測(cè)光，對(duì)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(cè)對(duì)小質(zhì)量行星探測(cè)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(cè)方法。
“我們?cè)仍O(shè)計(jì)7臺(tái)256平方度的望遠(yuǎn)鏡都用凌星法來(lái)觀測(cè)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，每臺(tái)凌星望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)增加到500平方度，這樣每臺(tái)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(lái)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(gè)載荷位置，放置微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡，對(duì)準(zhǔn)銀河系中心觀測(cè)。
葛健說(shuō)，銀河系中心的恒星密度非常大，盡管單個(gè)恒星和前景目標(biāo)，包括恒星和行星，能對(duì)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(huì)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(chǎng)做到100平方度已經(jīng)是極限了。但我們創(chuàng)造性地用6個(gè)30厘米的較小望遠(yuǎn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)500平方度的超大視場(chǎng)觀測(cè)，同時(shí)讓6臺(tái)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)同一個(gè)視場(chǎng)的目標(biāo)，并將觀測(cè)的數(shù)據(jù)疊加，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)較大口徑望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)深度。”葛健說(shuō)，這樣既實(shí)現(xiàn)了超大視場(chǎng)，又實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)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(guó)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(shí)這也將是人類首次將CMOS用于太空超高精度測(cè)光觀測(cè)。
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(cè)光相機(jī)技術(shù)方面，已完成單探測(cè)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(cè)試，探測(cè)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(lái)的儀器測(cè)量噪聲。
有了如此“搜星利器”，葛健對(duì)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(chǎng)，儀器噪聲比開普勒低20倍，同時(shí)還能通過(guò)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。總體而言，“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(kù)
“地球2.0”項(xiàng)目目前已組建起了由國(guó)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(tái)的設(shè)計(jì)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(huì)使人類獲得最大的類地行星樣本庫(kù)。
盡管人類迄今仍未發(fā)現(xiàn)一個(gè)“地球2.0”，但科學(xué)家們確信“地球2.0”的存在。因?yàn)?，通過(guò)開普勒望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家們?cè)谝恍┹^安靜的亮星周圍，已經(jīng)找到了300多個(gè)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(shuō)，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(guò)對(duì)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(guò)后續(xù)地面和空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)，測(cè)量和研究太陽(yáng)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(shí)代”。
根據(jù)項(xiàng)目時(shí)間表，今年年底前，團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)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(guò)三到六個(gè)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(jì)，開始搜尋兩年后，可能會(huì)有一些早期發(fā)現(xiàn)，到2031年整個(gè)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(jì)將能找到約5000個(gè)類地行星，約200個(gè)流浪行星，以及十幾個(gè)“地球2.0”。
長(zhǎng)期以來(lái)，歐美在光學(xué)空間系外行星探測(cè)方面表現(xiàn)出強(qiáng)大實(shí)力。葛健希望，通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，中國(guó)可以打開新局面，在未來(lái)的國(guó)際空間系外行星領(lǐng)域引領(lǐng)世界。在他看來(lái)，找到“地球2.0”只是第一步，或許還可能通過(guò)后隨觀測(cè)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(huì)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(yáng)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(cè)行星的方法。其觀測(cè)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(shí)恒星亮度變化，再結(jié)合其他的一些后續(xù)觀測(cè)和計(jì)算的方法，天文學(xué)家就能比較準(zhǔn)確地分析推測(cè)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(cè)量精度最高的觀測(cè)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(guò)系外行星系統(tǒng)時(shí)，會(huì)受到行星的引力發(fā)生偏折放大，以此可以探測(cè)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(cè)者之間有恒星行星系統(tǒng)經(jīng)過(guò)時(shí)，恒星行星系統(tǒng)的質(zhì)量會(huì)造成其周圍時(shí)空的彎曲，從而使背景光源的光線發(fā)生匯聚，觀測(cè)者接收到的光線強(qiáng)度會(huì)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(shí)，觀測(cè)者接收到的光變曲線就會(huì)變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)一個(gè)異常的“峰”。通過(guò)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(bào)記者 許琦敏)
