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紫金山天文臺推進“近鄰宜居行星巡天計劃”

來源:咸寧網 時間:2020-07-07 17:05

紫金山天文臺推進“近鄰宜居行星巡天計劃”

獨辟蹊徑,尋找“地球2.0”

“我們在宇宙中是否孤獨?”亞里士多德提出的這一哲學命題,天文學家正試圖用尋找“地球2.0”去解答。他們既異想天開,又實事求是,對宇宙充滿幻想,對理論不斷修正,創新高精尖的天文儀器,革新“新奇特”的探測方法,把目光對準了深邃的太空。不久前,中國科學院紫金山天文臺提出“近鄰宜居行星巡天計劃”(CHES),通過獨辟蹊徑的技術手段,為人類探測類地行星。

1 探索系外行星 人類從未停歇

由古至今,人類一直思考著地球與宇宙的關系,以及人類在宇宙中的地位,由此引發了天文學家對于系外行星的探索。

不過,直到1995年,人類才發現了第一顆太陽系外的行星,這顆系外行星處于銀河系中,環繞著一顆類太陽恒星公轉。發現這顆行星的瑞士科學家米歇爾·麥耶(Michel Mayor)和迪迪?!た迤?Didier Queloz),因此獲得了2019年諾貝爾物理學獎。

“這一發現開創了現代系外行星探測的新時代?!敝袊茖W院行星科學重點實驗室主任、紫金山天文臺研究員季江徽介紹,此后人類陸續發現了超過4200顆系外行星,其中大部分由開普勒望遠鏡探測而得。

開普勒望遠鏡打開了人類觀察宇宙的一個大窗口,自2009年由美國國家航空航天局(NASA)發射升空后,它單槍匹馬地發現了近3000顆系外行星,成就了整個行星科學領域輝煌的十年。

2018年,開普勒望遠鏡“功成身退”,但是人類探測系外行星的腳步不會停歇。作為開普勒望遠鏡的“繼任者”,同年4月,NASA最新的凌日系外行星巡天衛星(TESS)順利升空。由NASA、歐洲航天局和加拿大航空航天局聯合研發的詹姆斯·韋伯望遠鏡(JWST),計劃于2021年發射。此外,2024年,歐洲航天局將使用俄羅斯聯盟號火箭發射“柏拉圖號”(PLATO)到日地第二拉格朗日點軌道,它的目標是搜索30萬到100萬顆恒星,以期在太陽系外找到可能存在生命或宜居的行星。

面對行星科學領域激烈的國際競爭,我國也在加緊部署自己的系外行星空間探測項目。2019年,中國航天科技集團公布消息稱,將在2030年前后開展太陽系近鄰宜居行星太空探索計劃——“覓音計劃”,通過發射空間飛行器,以直接成像手段發現和認證太陽系外宜居行星并刻畫其宜居性。

紫金山天文臺提出的“近鄰宜居行星巡天計劃”,則將通過發射一個1.2米口徑的高精度天體測量空間望遠鏡,巡查距太陽系32光年外的100個類太陽恒星,探測宜居帶類地行星或超級地球,并普查近鄰行星數目、真實質量和三維軌道等信息,預期會發現數十顆宜居帶行星或超級地球。

2 在“暗黑”宇宙中捕捉微妙舞步

系外行星離我們如此遙遠,行星亮度又那么微弱,科學家怎樣才能在“暗黑”的宇宙中搜尋到它們?

“目前,國內外尋找系外行星主要通過‘凌星法’完成?!奔窘战榻B,即當行星運轉到恒星前面時,恒星的光度會有非常微弱的改變,通過這個光度的變化便可以發現那些難以看到的行星。

不過“凌星法”也有其局限性,比如它對觀測設備和觀測條件有著較高的要求,光度計的測光精度要求優于萬分之一;其探測效率較低,大概是萬分之四等。此外,利用“凌星法”探測無法給出該行星的質量,需要通過其他方法再度驗證。

不再囿于“凌星法”,紫金山天文臺的“近鄰宜居行星巡天計劃”獨辟蹊徑,大膽地發展了另外一種尋找行星的辦法“天體測量法”——觀測恒星在行星引力的作用下,在太空中的微妙舞步。

“‘天體測量法’其實是個很經典的方法,但是將它用在探測類地行星上是一種技術創新?!奔窘战榻B,在引力的作用下,當恒星周圍有一顆行星時,這兩個天體會互相繞轉,換言之,如果一顆恒星周圍存在行星,行星就會使恒星產生一個小幅度的擺動?!拔覀兛梢酝ㄟ^觀測恒星位置的微小擺動,再扣除恒星自身運動的基本參數,便能判定出恒星周圍是否存在行星,且可以計算出該行星的質量?!庇纱丝梢园l現,“天體測量法”相較于“凌星法”還具有一個獨特的優勢,即一旦發現存在的行星后就可確認并計算其質量,無需再度驗證。

不過,要實現“近鄰宜居行星巡天計劃”,在技術上需要達到前所未有的精度——微角秒,這相當于要在地球上分辨出一枚放在月亮上的硬幣。季江徽告訴記者,目前國際上相關研究都還沒有達到這種高精度,因此值得下大力氣攻關,因為一旦取得突破,我們在這一領域的研究就將走向世界前列。目前項目組正在積極進行關鍵技術攻關,預計在兩年半至三年時間內攻克關鍵核心技術。

3 終極目標:尋找宜居行星

人類探測系外行星,終極目標是為了尋找宜居行星,即“地球2.0”。季江徽介紹,行星系統中適合生命存在的行星軌道范圍被稱為“宜居帶”,目前已有數十顆宜居帶行星被發現,這些天體基本上都分布在紅矮星周圍。不過,宜居帶行星并不等于宜居行星,因為只確定系外行星的位置還遠遠未滿足“宜居”條件。

比如在科幻電影《流浪地球》里,人類的目的地是“比鄰星”——一個離我們最近的恒星系統,它距離太陽只有4.2光年??茖W家在“比鄰星”周圍就發現了一顆宜居帶類地行星“比鄰星b”,經分析它可能存在液態水。但是由于“比鄰星”的耀斑比太陽還猛烈,因此“比鄰星b”也許并不“宜居”。

怎樣的行星才是真正“宜居”的?季江徽分析,行星的宜居性主要體現在三個方面,分別是宜居行星的宿主恒星類型、宜居行星的位置及宜居行星的質量?!皩ふ业揭活w系外行星后,應用科學的方法去分析這顆行星:行星內部構造及活動是什么樣的?行星系統是如何形成及演化的?”此外,還需要觀察其宜居性的具體體現,如是否有適宜生存的大氣和液態水等。其中,宜居行星的大氣更為天文學家和公眾所關注,一般可通過尋找行星大氣光譜中的“化學指紋”(如氧氣、二氧化碳等)來判斷其是否適合生命存在,不過,由于無法直接觀測,測量系外行星的大氣成分難度非常大。

“人類對宜居行星的研究還處于探索階段?!奔窘照f,目前“近鄰宜居行星巡天計劃”探索的首要科學目標是“找到”類地行星,后續會酌情考慮行星宜居性的相關研究。


編輯:胡慧娟

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