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探索 |寻找“地球2.0”!紫金山天文台推进“近邻宜居行星巡天计划”
2020/06/30 18:59  新华报业网  

  交汇点讯 “我相信科学技术的发展和进步最终可以带人类冲出太阳系,到达宇宙中更遥远的地方。”——斯蒂芬·霍金

  “我们在宇宙中是否孤独?”亚里士多德提出的这一哲学命题,天文学家正试图用寻找“地球2.0”去解答。他们“既异想天开,又实事求是”,对宇宙充满幻想,对理论不断修正,创新高精尖的天文仪器,革新“新奇特”的探测方法,把目光对准了深邃的太空。不久前,中国科学院紫金山天文台提出“近邻宜居行星巡天计划”(CHES),通过独辟蹊径的技术手段,为人类探测类地行星。

  探索系外行星 人类从未停歇

  由古至今,人类一直思考着地球与宇宙的关系,以及人类在宇宙中的地位,由此引发了天文学家对于系外行星的探索。

  不过,直到1995年,人类才发现了第一颗太阳系外的行星,这颗系外行星处于银河系中,环绕着一颗类太阳恒星公转。发现这颗行星的瑞士科学家米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz),因此获得了2019年诺贝尔物理学奖。

  “这一发现开创了现代系外行星探测的新时代。”中国科学院行星科学重点实验室主任、紫金山天文台研究员季江徽介绍,此后人类陆续发现了超过4200颗系外行星,其中大部分由开普勒望远镜探测而得。

  开普勒望远镜打开了人类观察宇宙的一个大窗口,自2009年由美国国家航空航天局(NASA)发射升空后,它单枪匹马地发现了近3000颗系外行星,成就了整个行星科学领域辉煌的十年。

  2018年,开普勒望远镜“功成身退”,但是人类探测系外行星的脚步不会停歇。作为开普勒望远镜的“继任者”,同年4月,NASA最新的凌日系外行星巡天卫星(TESS)顺利升空。由NASA、欧洲航天局和加拿大航空航天局联合研发的詹姆斯·韦伯望远镜(JWST),计划于2021年发射。此外,2024年,欧洲航天局将使用俄罗斯联盟号火箭发射“柏拉图号”(PLATO)到日地第二拉格朗日点轨道,它的目标是搜索30到100万颗恒星,以期在太阳系外找到可能存在生命或宜居的行星。

  面对行星科学领域激烈的国际竞争,我国也在加紧部署自己的系外行星空间探测项目。2019年,中国航天科技集团公布消息称,将在2030年前后开展太阳系近邻宜居行星太空探索计划——“觅音计划”,通过发射空间飞行器,以直接成像手段发现和认证太阳系外宜居行星并刻画其宜居性。

  紫金山天文台提出的“近邻宜居行星巡天计划”,则将通过发射一个1.2米口径的高精度天体测量空间望远镜,巡查距太阳系32光年外的100个类太阳恒星,探测宜居带类地行星或“超级地球”,并普查近邻行星数目、真实质量和三维轨道等信息,预期会发现数十颗宜居带行星或超级地球。

  在“暗黑”宇宙中捕捉微妙舞步

  系外行星离我们如此遥远,行星亮度又那么微弱,科学家怎样才能在“暗黑”的宇宙中搜寻到它们?

  “目前,国内外寻找系外行星主要通过‘凌星法’完成。”季江徽介绍,“凌星法”于1984年由NASA的工程师威廉·博鲁茨基提出,这个方法简单而又聪明:当行星运转到恒星前面时,恒星的光度会有非常微弱的改变,通过这个光度的变化便可以发现那些难以看到的行星。

  不过“凌星法”也有其局限性,比如它对观测设备和观测条件有着较高的要求,光度计的测光精度要求优于万分之一;其探测效率较低,大概是万分之四等。此外,利用“凌星法”探测无法给出该行星的质量,需要通过其他方法再度验证。

  不再囿于“凌星法”,紫金山天文台的“近邻宜居行星巡天计划”独辟蹊径,大胆地发展了另外一种寻找行星的办法“天体测量法”——观测恒星在行星引力的作用下,在太空中的微妙舞步。

  “‘天体测量法’其实是个很经典的方法,但是将它用在探测类地行星上是一种技术创新。”季江徽介绍,在引力的作用下,当恒星周围有一颗行星时,这两个天体会互相绕转,换言之,如果一颗恒星周围存在行星,行星就会使恒星产生一个小幅度的摆动。“我们可以通过观测恒星位置的微小摆动,再扣除恒星自身运动的基本参数,便能判定出恒星周围是否存在行星,且可以计算出该行星的质量。”由此可以发现,“天体测量法”相较于“凌星法”还具有一个独特的优势,即一旦发现存在的行星后就可确认并计算其质量,无需再度验证。

  不过,要实现“近邻宜居行星巡天计划”,在技术上需要达到前所未有的精度——微角秒,这相当于要在地球上分辨出一枚放在月亮上的硬币。季江徽告诉科技周刊记者,目前国际上相关研究都还没有达到这种高精度,因此值得下大力气攻关,因为一旦取得突破,我们在这一领域的研究就将走向世界前列。目前项目组正在积极进行关键技术攻关,预计在两年半至三年时间内攻克包括微像素星间距测量、低畸变大视场望远镜等在内的关键核心技术。

  终极目标:寻找宜居行星

  人类探测系外行星,终极目标是为了寻找宜居行星,即“地球2.0”。季江徽介绍,行星系统中适合生命存在的行星轨道范围被称为“宜居带”,目前已有数十颗宜居带行星被发现,这些天体基本上都分布在红矮星周围。不过,宜居带行星并不等于宜居行星,因为只确定系外行星的位置还远远未满足“宜居”条件。

  比如在科幻电影《流浪地球》里,人类的目的地是“比邻星”——一个离我们最近的恒星系统,它距离太阳只有4.2光年。科学家在“比邻星”周围就发现了一颗宜居带类地行星“比邻星b”,经分析它可能存在液态水。但是由于“比邻星”的耀斑比太阳还猛烈,因此“比邻星b”也许并不“宜居”。

  怎样的行星才是真正“宜居”的?季江徽分析,行星的宜居性主要体现在三个方面,分别是宜居行星的宿主恒星类型、宜居行星的位置及宜居行星的质量。“寻找到一颗系外行星后,应用科学的方法去分析这颗行星:行星内部构造及活动是什么样的?行星系统是如何形成及演化的?”此外,还需要观察其宜居性的具体体现,如是否有适宜生存的大气和液态水等。其中,宜居行星的大气更为天文学家和公众所关注,一般可通过寻找行星大气光谱中的“化学指纹”(如氧气、二氧化碳等)来判断其是否适合生命存在,不过,由于无法直接观测,测量系外行星的大气成分难度非常大。

  “人类对宜居行星的研究还处于探索阶段。”季江徽说,目前“近邻宜居行星巡天计划” 探索的首要科学目标——“找到”类地行星,后续会酌情考虑行星宜居性的相关研究。

  “我们的征途是星辰大海,这些研究将最终回答‘太阳系是否很特殊’或‘我们在宇宙中是否唯一’等科学问题,并让人类更深刻地了解地球和太阳系的形成演化过程,以及充分地认识生命的本质和起源,进而更深刻地了解我们自身。”季江徽说。

  交汇点记者 蔡姝雯 实习生 钱霜霜

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责编:周莉娜

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