The Innovation | 太阳系邻居的“人口调查”: 寻找另一颗“地球”

Video 1  近邻宜居行星巡天计划

导 读

宜居行星探测是国际天文学的前沿课题， 研究将试图回答“地球是否独一无二？”、“行星如何成为生命的摇篮？”等科学问题。中科院紫金山天文台季江徽领衔的项目团队介绍了“近邻宜居行星巡天计划”的核心科学目标，拟基于微角秒级空间天体测量方法搜寻太阳系近邻的100颗类太阳型恒星周围的宜居带类地行星，开展近邻行星系统的全面普查，预期在宜居带类地行星的发现方面取得重大突破。文章以News & Buzz形式在线发表于The Innovation。

  图1 近邻宜居行星巡天计划

“近邻宜居行星巡天计划”(Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES)旨在通过微角秒级相对天体测量方法探测围绕100颗近邻类太阳型恒星(距太阳系约32光年)运行的宜居带类地行星，目前被中国科学院遴选为未来发射的候选空间任务(图1)。如果在近邻类太阳型恒星周围的宜居带发现具有与地球相似的轨道、质量和环境的类地行星(或地球2.0)将是又一次“人类的巨大飞跃”，并帮助我们回答诸如“我们在宇宙中是孤独的吗？”、“行星如何成为生命的摇篮？”等诸多科学问题。自从发现第一颗围绕主序星运行的行星以来，迄今天文学家共发现5000余颗系外行星，而距太阳系32光年的行星发现总数占比仅仅约为2%，我们仍然对太阳系近邻恒星周围的行星知之甚少。CHES独特的探测方法将填补近邻行星的探测空白，寻找宜居行星甚至可使未来人类造访并确定新的栖息家园。

图2  系外行星的类型

与太阳系的行星迥然不同，这些系外行星根据轨道特征和质量参数可细分为热木星、温木星、冷木星、温海王星、超级地球和类地行星等类别(图2)。目前已发现的系外宜居带行星甚少仅占总数的1%(59 颗)，其中41颗分布在红矮星周围(图3)，而距太阳系32光年的宜居带岩石行星虽发现16颗但均环绕红矮星运行。围绕类太阳型恒星运行的宜居带中的岩石行星特别引人注目，因为迄今为止还没有发现真正的地球2.0 (图3中红色圆点表示地球)。因此，CHES的核心科学目标是探测和刻画围绕太阳系最近邻居(32光年)中100颗FGK恒星运行的宜居带类地行星，实现从0到1的重大突破。

图3 已发现的宜居带类地行星(Ji et al. 2022)

开普勒太空望远镜(Kepler Space Telescope)和TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite), 未来任务如PLATO(the PLAnetary Transits and Oscillations of stars)使用凌星法寻找和表征行星(图4)。凌星法的原理是当一颗行星从恒星前方经过时，恒星会因行星的遮挡而周期性地变昏暗。然而，凌星通常发生在被探测的行星轨道与观察者视线一致，因而导致其探测概率极低(如开普勒任务约为0.5%)，另外凌星的行星候选体需要用其他方法(例如视向速度法)进行确认。凌星法通常得到行星的半径，不能直接测量行星的质量。

图4  系外行星探测空间任务

CHES最明显的优势是可探测到近邻恒星周围的每一个可能存在的行星，这意味着它能够对类太阳型恒星宜居带的行星开展全面发现和普查，换言之，CHES可侦测到凌星空间任务(例如TESS或 PLATO)所无法企及的行星。CHES可直接测量行星的真实质量，实现对类地行星特性的精细刻画，这对于确定一颗行星是否真正为地球2.0起着至关重要的作用。了解我们的邻居至关重要，由于这些类地行星距离近，未来人们可利用巨型望远镜来分析甄别行星大气成分寻找化学指纹，进而证认它们的宜居性，揭示最有可能的生命信号。

图5 近邻宜居行星巡天计划发展路线图

CHES的科学载荷是一台口径为1.2 m的高像质、低畸变、高稳定光学望远镜，可实现全视场近衍射极限成像。CHES使用外差式激光干涉测量标定技术准确测量一颗目标星与6-8颗参考星之间角距的微角秒的变化。通过测量目标恒星由其周围行星引起的非常微小的摆动，发现近邻类太阳型恒星的宜居带中的类地行星。CHES卫星的任务轨道为太阳和地球的拉格朗日L2点。CHES经过了两期空间科学背景型号项目支持的课题研究，关键技术得到突破，满足科学任务需求。该卫星预期发射时间为2028年，设计寿命不少于5年(图5)，期间将观测所有目标恒星，且每颗将被访问至少50次。

CHES将首次发现近邻类太阳型恒星周围的地球2.0，回答“太阳系是否唯一”。

总结和展望  

CHES将基于空间高精度相对天体测量方法，预期在近邻类太阳型恒星的宜居带首次发现围绕其运行的地球2.0，测量它们的真实质量和三维轨道，完成近邻行星系统全面普查，填补近邻行星的发现空白。这项任务将回答近邻恒星宜居带中是否存在类地行星，揭示其分布，预估行星系统中宜居带行星出现的概率，了解太阳系行星的宜居性和演化。此外，CHES通过超高精度天体测量可以研究黑洞质量精确测量、银河系暗物质分布等科学问题，促进人类对宇宙的深入认知。

责任编辑

宋欣欣  德克萨斯大学西南医学中心

钟   君  美国国立癌症研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00066-2

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第四期以News & Buzz发表的“CHES: An astrometry mission searching for nearby habitable planets” (投稿: 2022-04-19；接收: 2022-05-31；在线刊出: 2022-06-15)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100270

引用格式：Ji J., Wang S., Li H., et al. (2022). CHES: An astrometry mission searching for nearby habitable planets. The Innovation. 3(4),100270.

作者简介

季江徽，中科院紫金山天文台研究员、实验室主任，博士生导师。现任中科院行星科学重点实验室主任、中国天文学会行星专业委员会主任。2017年入选中科院创新交叉团队(负责人)。研究方向为系外行星、原行星盘与太阳系小天体，发表论文100余篇, 研究成果多次入选年度十大天文科技进展，获得江苏省科学技术奖。

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