发现我们的近邻——中国的近邻宜居行星巡天计划丨Calling太空

编者按："浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

我们在宇宙中是唯一的吗？这个直接冲击灵魂的问题自从提出，就一直困扰着人类，特别是那些无时不关注着宇宙和太空的天文学家们。不久前，在第六届世界著名的星乐论坛（STARMUSVI）上，我再次见到了老朋友，曾因发现和确认第一颗系外行星于2019年获得诺贝尔物理学奖的瑞士天文学家米歇尔·马约尔（Michel Mayor），我们就谈起了这个问题。

首先，我们回顾了人类目前已经取得的成果。那就是由美国2009年发射的开普勒计划。这个计划发现了数千颗系外行星，其中有很多还经过了由马约尔领导的课题组的地面望远镜所确认。但是，我们不得不承认，在这些众多的系外行星中，还没有一颗是真正和我们地球相似的类地行星，特别是我们没有对我们太阳系附近的那些恒星进行过普查。而这也是我们最需要回答的问题，我们有没有近邻？

你也许会问，那为什么不先寻找一下我们附近那些恒星呢？这就不得不解释下现在用到的探测系外行星的几种方法。

首先，在太空望远镜开始这项工作之前，人类是用地面望远镜来开展这项工作的，也就是马约尔教授牵头开始的探索性的工作。这种寻找系外行星的方法称为视向速度法。简单来说就是，用地面望远镜凝视一个恒星，测量其光谱多普勒频移的变化，如图1所示。如果这个光谱出现周期性的频率变化，就表明这个恒星受到了它附近的行星的引力扰动，其变化周期就正好是这颗行星围绕其公转的周期，比如数天、数十天等。显然这种方法最适合测量行星轨道面，也即是那个恒星周围的行星系统的黄道面，正好在我们地球到那个恒星的视线的方向上。因为只有这样，其多普勒频移才出现最大值，使我们能观测到。当然，在发现这个多普勒频率变化周期之前，我们并不知道哪个恒星的行星轨道面正好在这个方向上，所以马约尔教授他们在发现第一个系外行星之前，曾观测过很多个恒星，并多次改进光谱测量的精度。终于在1995年发现了第一个，围绕一个类似太阳的恒星公转的系外行星（51 Pegasi b），并于2019年荣获诺贝尔物理学奖。

图1 系外行星51 Pegasi b的多普勒频率变化

另一个发现系外行星的方法更为直接，就是观测行星经过恒星前面时对光通量的遮挡，称为凌星法。由于凌星引起的恒星光度的变化非常微弱，在地面上观测又会受到大气湍流的影响，无法实现精确的观测，必须发射太空望远镜。为此，美国国家航空宇航局（NASA）于2009年发射了第一个用于此目的太空望远镜开普勒（Kepler）计划。该计划从2009年发射至2018年任务终止，共发现了6000多颗候选系外行星，其中3000多颗已经得到了确认，也包括通过马约尔教授他们地面望远镜提供的视向速度认证数据。然而，最大的问题是这些行星距离我们都很远很远，100光年以内的少之又少，与地球类似的岩石类型行星少之又少，宿主恒星与太阳相似，同时行星又与地球相似，还是我们近邻的行星根本没有。

这确实与上面观测方法必须要求行星轨道面与我们看到它们的视线平行有关。这个先决条件限制了我们能够观测到的系外行星的范围。因为，远在那里，只有少数的恒星系统的行星轨道面和我们观测者视线平行。从而，就不会出现凌星遮挡后光通量和视向多普勒频率的变化，如图2所示。

图2 不同行星轨道面对凌星法观测的影响

那到底有没有更好的办法来发现系外行星呢？有，这就是天体测量法。

一颗恒星，受到其周围行星的扰动，位置一定会发生周期性的变化，这个变化是在由行星与恒星运动定义的一个二维平面内的。从我们太阳系看过去，无论该行星轨道面是在哪个方向上，其扰动都会被我们看到。比如如果行星轨道面正好在我们视线方向上，我们看到的将是一个一维的运动；如果行星轨道面恰好面向我们视线方向，我们看到的将是一个二维的运动。因此，这种探测方法通常不会漏掉任何行星系统，无论它的行星轨道面是在哪个方向上。那么问题是我们能看到这个微小的变化吗？天体测量就是要解决这个问题。

首先我们要在被观测恒星的周围找到几颗参考星。之所以管它们叫参考星，并不是因为它们不动（因为所有恒星可能都有行星系统，因此其位置也都会被扰动），而是因为它们距离我们要比被观测的恒星远很多。也就是说它们的微小位置变化，不影响我们对被观测的恒星的位置的测量。特别是，如果我们将被观测的恒星选为我们的近邻恒星，比如100光年以内，那么数万光年以外，甚至更远的恒星的位置变化就可以忽略不计了。这不正好对应了我们要寻找近邻宜居行星的目标了吗？如图3所示。

图3 天体测量法，目标星在二维平面内移动可反演不同的行星轨道面倾角

接着，我们需要用各种技术来解决精确测量的问题。首先，需要对被观测的这几颗恒星（包括近邻的目标恒星和远处的参考恒星）进行定位。这些恒星的光斑，每一个落在望远镜成像半导体器件上后，通常都要覆盖数十个分辨单元，那么恒星的位置如何确定呢？是简单的选择最靠中间的一个吗？不是。最好的办法是通过软件来计算光斑的中心在哪里，称为质心定位（Centroiding）。目前在地面真空实验室条件下可以做到的精确度已经达到了10^-5像素的精度。这就可以满足测量目标恒星与参考星之间距离变化，发现近邻恒星周围的行星的要求了。当然，望远镜还需要具有非常稳定的温度控制和机械控制，这个通过航天工程中已经成熟的温控技术、材料选择和结构设计也是可以达到的，并经过了地面试验的验证。为了更好地实现温度的稳定控制，望远镜需要发射到日地系统的拉格朗日L2点，并朝向背太阳光的方向观测，经过数年数据的积累，就可以覆盖公转周期超过1年的类地行星的普查和发现。这个就是中国科学院空间科学先导专项背景型号中，已经突破了关键技术的近邻宜居行星巡天计划（Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES）。

那么通过采用天体测量法的CHES计划，我们能够取得什么探测结果呢？首先，它会对距离太阳系100光年以内的大约100颗与太阳相似的所有恒星进行普查。因为任何一颗目标恒星的行星系统中的所有行星（无论其行星轨道面的定向如何）的质量、公转周期，都会体现在对恒星的位置扰动上。所以，这个计划是对近邻恒星的行星系统的全面普查。其次，通过3-5年的观测数据积累，就可以发现宜居带内的类地行星。因为，所选择的目标恒星都是太阳类型的，因此宜居带内的行星的公转周期都应该与地球类似，在1年左右。积累3年以上的数据，就会覆盖宜居带内几乎所有的类地行星。可见，这个计划正是我们回答，我们是否孤独？特别是回答，我们的近邻在哪里的问题所必需的。

回到我和马约尔教授的谈话，他迫切希望我们人类在寻找类地行星方面尽快获得突破。在谈论了其他几个，包括美国正在实施的TESS计划之后，最后他在我耳边小声说，希望中国的CHES计划能够尽快立项实施，因为这是他在所有其他计划中最为看好的一个。

其实，我更加期盼的是，当CHES发现了几个真正意义上的类地行星之后，因为我们和它们之间的距离并不是那么遥远，也许只有十几个光年，我们应该如何对它进行进一步的探测，甚至通过无线电信号与那里可能存在的智慧生命进行点对点的沟通？

本文作者系中国科学院国家空间科学中心吴季研究员、中国空间科学学会理事长

来源：中国科学院国家空间科学中心