中国寻找地球2。0，开启系外行星探索新纪元

　　《自然》杂志近日披露了我国计划中的地球2。0系外行星探索项目。人类寻觅第二家园的过程中经历了哪些曲折，中国方案将有何不同？
　　撰文记者段然（实习）编辑丁林
　　新媒体编辑赖天莹
　　采访专家
　　顾盛宏（中国科学院云南天文台首席研究员）
　　在浩瀚的宇宙中，人类是唯一的智慧生物吗？我们赖以生存的家园是孤独的存在吗？这些充满哲学思辨的问题，大概在人类第一次仰望星空时就已产生，并不断地激起后人探索宇宙的渴望与热情。
　　历经千百年科学知识的积累、理论体系的构建与观念的迭代更新，如今我们对太空的认知已达到前所未有的高度，特别是近二十多年来，天文学界对太阳系外行星的探索，不断地向人类昭示：茫茫宇宙中，我们可能并不孤独。
　　近日，英国《自然》杂志披露了中国的地球2。0计划，该项目由中国科学院上海天文台牵头发起，计划在未来5年内，向太空发射全新的探测卫星，在浩瀚深空中对系外行星进行一次深度行星普查，为人类地外家园的探索之路贡献出中国力量。
　　开普勒空间望远镜瞄准了银河系中天鹅座天琴座方向进行观测（图中每个矩形代表一块225万像素的CCD传感器）。我国地球2。0项目计划对同一区域进行更深入的探索（原图来自NASA）
　　从目前已披露的信息来看，地球2。0绝对是一项雄心勃勃的计划：我们不仅要追赶国际上系外行星探索的先进水平，还针对开普勒等先进的空间系外行星探索项目中暴露出的问题与不足，提出了中国版的改进方案。
　　长期致力于太阳系外行星系统领域的研究，并曾主持多个相关国家级科研项目的中国科学院云南天文台首席研究员顾盛宏向记者介绍道：‘地球2。0’这个项目是比较激动人心的，它继承了开普勒项目前4年的数据遗产，加上自己的设计，能够再做4年的观测，得到8年的数据覆盖，使得对系外行星的探测能力大大提高。
　　系外行星：探索之路漫漫
　　顾名思义，系外行星是指位于太阳系之外，围绕其他恒星运转的行星。据科学家的粗略估算，单是在银河系就存在至少4000亿颗系外行星，其中多达170亿颗是类似地球的岩质行星。在数量如此庞大的系外行星群中，我们有理由相信，其中就存在运行于宜居带、适宜孕育生命的另一个地球。
　　一颗行星要取得另一个地球的称呼，需要满足比较苛刻的条件。顾盛宏向记者解释：首先，就像我们太阳系的主星是太阳一样，系外行星的主星应是一个类太阳的恒星；其次，这颗行星需要处在行星系统的宜居带上，即行星在距离主星一定距离上，能够保证液态水的存在；第三，这颗行星必须要具备和地球差不多的岩质固体表面。满足上述这些条件，才可能存在类地生命。
　　人类对行星的认知，经历了漫长的探索之路。从观测太阳系诸行星开始，近代天体力学引导着天文学家们不断向外拓展行星疆界从18世纪将土星轨道视为太阳系的边界，到2006年将冥王星踢出行星之列，光是认识家门口这几颗行星，人类就历经了几百年的努力。而探索系外行星，所面临的技术难度更是不可同日而语。
　　银河系顶面观，图中黄色箭头从我们的太阳系指向天鹅座方向（原图来自《天空与望远镜》）
　　在短短二十几年前，太阳系之外是否有行星系统这个问题，仍然停留在科学家们的猜测中。由于行星本身并不发光，其体积又远比主恒星小得多，在单位以光年计的空间尺度上，被恒星光芒掩盖住的行星实在是星迹难觅，寻找它们的任务，让最优秀的天文学家们也一筹莫展。
　　直到上世纪80年代，天文学家还只能通过在部分恒星周围发现的尘埃云，来间接推测系外行星可能的存在。在1992年，天文学家首次发现了存在于太阳系外的行星：两颗距地球980光年，围绕一颗脉冲星运行的气态行星。以高速运转的脉冲星作为母星，这两颗行星所处的恶劣环境可想而知，但这次发现却拉开了人类探索系外行星的大幕
　　人类系外行星探索的历史并不长（原图来自欧洲空间局）
　　斩获诺奖的视向速度法
　　绝大多数系外行星距离我们实在太过遥远，想要透过茫茫星海对这些自身不发光的天体进行探测，难度之大可想而知。所以，目前天文学家寻找系外行星主要依靠间接探测法，即通过对发光的恒星进行分析，间接地得出恒星是否存在行星系统的结论。目前通行的多种间接探测法中，以视向速度法和凌星法最为普遍。
　　视向速度法（也称径向速度法或多普勒光谱学法）的基本原理是：行星在围绕恒星运动时，恒星会受行星微弱引力的影响，产生微小的周期性摆动，天文学家通过观察恒星光谱的多普勒效应，对这种周期性摆动进行探测与捕捉，可以间接推断恒星附近行星系统的存在。
　　系外行星的引力会造成恒星的微弱摆动，地球上的我们因此能观察到恒星光谱周期性的红移和蓝移现象（图片来源：美国行星学会）
　　1995年，瑞士天文学家米歇尔梅耶（MichelMayor）和迪迪埃奎洛兹（DidierQueloz）正是利用高精度光谱仪，借助视向速度法在飞马座51恒星附近发现了一颗气态行星飞马座51b。这是人类首次发现围绕主序星（包括太阳在内的一类恒星）运行的系外行星，二人也凭借此次发现斩获2019年诺贝尔物理学奖。
　　在飞马座51b被发现之后，视向速度法被广泛应用于系外行星的探测发现。不过，这种测量方法也有明显的短板适用该方法的行星有轨道倾角的限制，且观测行星的质量容易存在较大误差。由于该方法基本只能精确探测一些大质量行星，这就极大限制了行星探测的范围。因此，在近年来的行星探测活动中，另一种方案凌星法逐步受到重视。
　　开普勒计划：天上的火眼金睛
　　所谓凌星法（也叫凌日法），则是借助行星经过主恒星时发生的凌日现象所产生的恒星亮度周期性变化，来确定行星系统的存在。相比于视向速度法，凌星法对稳定观测条件的要求更高，因此向太空轨道发射空间望远镜，是钟情凌星法的科学家们的不二之选。
　　系外行星围绕恒星运动时，恒星亮度会因行星发生周期性的变化（图片来源：《天文学杂志》）
　　2009年，美国国家航空航天局（NASA）将开普勒空间望远镜发射到预定绕日轨道。这是一个在系外行星探索历史上极具划时代意义的项目，开普勒搭载了口径为0。95米的施密特望远镜，质量超过1吨，并将探测目标锁定在天鹅座和天琴座的区域内。
　　在运行期间，开普勒望远镜利用凌星法，使已知的系外行星数量成倍增加，截至该项目中止的2018年，开普勒项目共发现系外行星多达2325颗（到今年4月27日为止，已得到确认的系外行星总共有5014颗）。
　　到今年为止，天文学家已经确认的系外行星超过了5000颗（原图来自NASA）
　　开普勒项目不仅极大拓展了人类在系外空间的视野，也刷新了天文学界对行星概念的认知。借助开普勒项目提供的各种数据，天文学家发现了很多与传统天体物理学知识相悖的现象：比如围绕两颗恒星运转的行星，或者存在于四重星系统中运转的行星。
　　对于这些堪称离奇的现象，天文学家迈克尔萨默斯（MichaelSummers）曾在《系外行星》一书中，以帝王蝶比喻地球：假设人们在生活中只见过帝王蝶这一种蝴蝶，就会自然而然地认为帝王蝶的特征就等同于蝴蝶的特征，一旦遇到具有其他特征的蝴蝶时就会受到认知冲击，并不得不重新审视固有的观念。
　　发现望舒：我国系外行星探索之路
　　近年来，美国的地基和天基行星观测系统已经搞得风生水起，相比之下，我国在系外行星探索领域整体起步较晚。
　　受制于探测器技术水平和观测数据处理精度等方面的短板，我国系外行星探索所用的研究样本一直高度依赖国外探测器公布的观测数据。这种局面持续了多年，直到2008年，我国才实现了系外行星探索零的突破：由中科院国家天文台的刘玉娟和赵刚研究员率领的团队，采用国家天文台兴隆站的2。16米望远镜和日本冈山天文台的1。88米望远镜，通过视向速度法发现了一颗位于天琴座方向的行星，这是一颗围绕红巨星运行的气态行星，距离地球440光年，质量达到木星的2。7倍。
　　这颗系外行星（HD173416b）位于天琴座方向。图中包含密集绿色圆点的矩阵是开普勒望远镜的视场（图片来源：京都大学）
　　尽管不具备生命存续的环境条件，但这颗行星作为我国天文学家发现的首颗系外行星，成为了我国太空探索历程上的重要里程碑。
　　起初，这颗行星只被天文学家冠以一行单调的编码：HD173416b。但在被发现10余年后，它被赋予了更多的中国色彩。2019年，由国际天文学联合会（IAU）组织的太阳系外行星世界命名全球活动项目启动，该项目将112颗未正式命名的系外行星根据国别进行分配，并由各分配国举行提名和投票活动，为这些行星正式取名。
　　HD173416b被分配给了它的发现国中国。一时间，为系外行星取名的活动在国内天文学界和爱好者群体中掀起了热潮，来自全国各地的命名方案如雪片一样飞到评审专家手中。最终，在经过多轮专家评审和网络投票环节后，这颗系外行星及其母恒星分别获得了望舒羲和这两个颇具诗意的神话名字，以颇具中国传统文化色彩的方式载入了太空探索的史册。
　　2019年12月，羲和望舒的命名者，当时的广州第六中学天文社社长许翊芃在北京天文馆介绍命名故事（图片来源：人民日报客户端）
　　就在同一年，我国的系外行星探索事业再次取得突破性进展。南京大学张辉、周济林团队宣布，借助我国在南极昆仑站建设的南极巡天望远镜阵（AST3），团队利用凌星法共探测到222个系外行星候选体，其中116颗为高置信候选体。这是我国首次利用自己的观测设备成批次发现系外行星候选体，如此大批量的发现成果，不仅极大丰富了人类域外探索的行星样本库，也让我国在系外行星领域中的话语权获得了提升。
　　目前，我国在系外行星领域的探索与欧美先进国家尚有较大差距。顾盛宏认为，这种差距主要表现在两个方面，首先是系外行星发现并确认的数量太少截至目前，我国总共只确认了不到20颗系外行星的存在。其次，由于缺乏大型光学望远镜，对已发现系外行星的研究并不深入。
　　地球2。0：站在开普勒的肩膀上
　　当前，我国天文学界主要依托地基设备推进系外行星研究。但从地面上仰望星空，观测的视野和精度就受到大气中复杂气候条件的极大限制。未来摆脱对国外天基探测手段的依赖，我国需要在太空部署自己的耳目，将探索的视野延伸到外层空间。计划中的地球2。0项目，正是这一现实需求的产物。
　　此外，凌星观测法本身存在的短板也影响着观测结果。顾盛宏向记者解释道：凌星观测需要比较长的周期，而开普勒本身运行周期较短，导致进行凌星观测的窗口期不足，加上凌星现象的发生本身就是一个低概率事件，所产生的信号又非常弱这些都极大限制了开普勒的观测成果。
　　距离地球约25光年的北落师门b（或称大衮），是最早直接由影像证实的系外行星之一。但更近期的证据表明，它可能只是一片尘埃云（图片来源：NASA）
　　开普勒项目虽然取得了不俗的成就，但遗憾的是，直到任务结束，该任务也未完成核心的既定目标找到另一个适宜生命存续的类地行星。这与开普勒望远镜硬件上的不足息息相关：比如望远镜本身的视场过小，仪器噪声过高等。
　　由于系外空间探索项目耗资巨大，受NASA预算不足的影响，开普勒计划的接力棒最终被SpaceX公司所承包的凌日系外行星巡天卫星计划（TESS）接过。相比于开普勒探测器只装备有一台施密特天文望远镜，TESS探测器则装备了四台广角望远镜，这使其获得了比开普勒望远镜更大的观测视场。
　　TESS空间探测器想象图（图片来源：NASA）
　　而我国的地球2。0项目中，未来的国产探测器可能搭载多达7台望远镜，通过前所未有的凌星法微引力透镜法相结合的方式，全方位完成对系外行星的普查工作。其中，6台口径30厘米，观测视场达500平方度的望远镜将利用凌星法进行观测，将探测区域同样锁定在天鹅座到天琴座的区域内，但相比于开普勒和TESS等前辈，其探测深度和清晰度将得到极大提升。另外1台4平方度的望远镜，则将探测视角瞄准银河系中心区域，采用全新的微引力透镜观测法探测和捕捉那些游离于主恒星行星系统的流浪行星。
　　领导地球2。0团队的，是来自中科院上海天文台的葛健研究员，他2006年在佛罗里达大学天文系任教期间，就领导研究团队发现一颗100光年外的气态系外行星。2018年，他又领导佛罗里达大学的达摩地外行星巡天项目，成功发现一颗距地16光年、围绕波江座40运行的大质量类地行星。
　　2020年，葛健归国并加入上海天文台，他负责的地球2。0项目汇聚了来自国内外30多所大学及研究机构的超过200多位天文学家。未来，该项目所取得的观测数据亦将实现全球共享中国的地球2。0从一开始就超越了国界，它是为推动人类宇宙探索进程而生的。
　　根据计划，地球2。0将在2026年底前完成卫星建造和发射工作，并在翌年夏开始科学观测。科学家们预计，在该项目完成一个周期（4年）的观测任务后，有望找到5000颗系外行星，并从中找到真正适宜生命存续的行星。在国家的大力支持和天文学界的通力协作下，地球2。0计划有望在系外行星探索历程中镌刻下闪亮的中国印记。
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