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”

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

编辑: 谢诗涵