The Innovation | 寻找宇宙中第二个家园

导读

近年来，随着宜居带内系外行星的发现，“探索地外生命”从引人入胜的科学幻想转变为现实可行的科学目标。然而，目前发现的所谓“宜居行星”要么自身个头太大（如质量超过2倍地球质量的超级地球），要么围绕着活动性强烈的红矮星运行，并不适宜类地球生命的孕育与发展。地球2.0空间项目（简称ET）将在约120万颗恒星的宜居带内搜寻与地球高度相似的行星——地球2.0，并对它们的发生率进行精确测量。这将刷新人类对宇宙的认知，让我们更加深刻地理解人类作为智慧生命在宇宙中的位置和角色。

图1 ET的设计：包括6台30厘米、500平方度的凌星望远镜和1台35厘米、4平方度的微引力透镜望远镜。ET的凌星望远镜将从日-地L2点凝视Kepler和它附近的天区搜寻系外行星的凌星事件（行星经过观测者和恒星视线方向时遮挡恒星所产生的光度变暗现象）。同时微引力透镜望远镜将凝视银河系中心区域，搜寻系外行星的微引力透镜事件（行星经过观测者和背景恒星的视线方向时，行星引力产生恒星亮度增加的现象）。到目前为止，Kepler和地面望远镜已在小质量红矮星的宜居带中发现了10颗地球大小（0.8-1.25地球半径）的行星，但这些红矮星恒星活动强烈，经常发生10-1000倍太阳强度、含大量有害X射线和紫外线的耀发，同时由于这些宜居行星离恒星很近，恒星的潮汐力将它们的表面锁定，让其中一面总对着恒星，这对生命在这类行星上诞生和演化非常不利。ET经过4年的凝视观测预计将在安静的类太阳恒星周围找到超过10个地球的兄弟姐妹，即地球2.0。这些行星表面和地球相似，多半具有生命的生存环境。本图原创：中国科学院上海天文台方童和邓洪平。

当你抬头仰望星空，除发自内心的震撼与赞叹之外，你是否好奇：“此时此刻，在宇宙中某个角落，会不会有与我们类似的生命也在分享这壮美的星空？” “Are we alone?（我们是否孤独地存在于宇宙中？）”这一横亘人类历史上千年的问题至今无解。在1995年发现第一颗围绕类太阳恒星运转的系外巨行星——飞马座51b之前，这些思考和追寻只能停留在想象的层面。这一重大发现虽然没有回答“Are we alone？”这一古老的基本问题，但已让我们对系外行星世界的认知迈出了一大步。随着过去三十年探测技术的突飞猛进，目前已有5千多颗太阳系外行星被发现，人类终于打开了探索地外生命的大门。其中Kepler利用凌星方法，不仅贡献了已知大部分的系外行星，还发现了超级地球和亚海王星这两个新的行星种群。

令人惋惜的是，Kepler终究未能达成它的核心目标：发现另一个与地球类似（主要由岩石表面和铁质核心构成，0.8-1.25倍地球半径）并且位于类太阳恒星宜居带内的行星（简称地球2.0，图1）。考虑到地球2.0发生率的不确定性和凌星事件的几何概率，Kepler需要同时对足够数量的类太阳恒星进行超高测光精度且长期的凝视观测才可能有所发现。然而，由于很高的探测器读出噪声和远超预期的类太阳恒星活动性等多种因素的影响，使得Kepler的超高精度测光能力仅局限于少量安静而明亮的类太阳恒星，而这类恒星的数量不足以确保地球2.0的发现。再加上运行四年后，Kepler用于控制姿态的两个飞轮相继失效，使其无法继续凝视这些恒星，导致搜寻第一个地球2.0的努力功亏一篑。

ET空间任务将再次担负起人类搜寻地球2.0的重任。它将吸取Kepler的经验和教训，采用更先进的低噪声、快读出探测器，配上精确的温度控制和高稳定度卫星平台。即使对较暗弱的类太阳恒星，它也能精确地捕捉到来自地球2.0的微弱凌星信号。为了解决大口径与大视场的设计矛盾，ET采用6台30厘米凌星望远镜对同一视场的恒星目标进行凝视观测，以500平方度广视场完全覆盖并拓展Kepler的105平方度天区，使得ET在搜寻地球2.0的能力上比Kepler提升了约15倍。ET将在充分了解目标天区恒星性质的基础上，优选约120万颗恒星作为观测目标（是Kepler观测目标的7倍），通过持续4年的凝视获得的观测数据，并结合Kepler的遗产数据，从而极大地提高发现地球2.0的几率（图1）。不仅如此，ET还搭载了一台35厘米口径的微引力透镜望远镜，能进一步探索长周期冷类地行星，甚至流浪类地行星的分布情况。

ET继续采用凌星法搜寻地球2.0，除了凌星观测技术的成熟度更高以外，更重要的是：在科学上判断一颗地球2.0是否真正宜居，必须获得行星的四个核心信息：轨道周期、大小、质量以及大气成分，而凌星法本身可以测量行星轨道周期和大小，以及凌星时刻变化来确定部分行星质量，通过后随观测可以获得大部分的行星质量和部分行星的大气成分。因此，凌星法结合后随观测是目前唯一可以确认地球2.0宜居性的路线。而诸如视向速度法、天体测量法等只能获得行星的轨道周期和质量，如果该行星不发生凌星，则以目前的观测技术就无法获得行星的大小和大气成分，也无法确认这些方法发现的地球2.0的宜居性。

ET空间任务预计会发现10-20个地球2.0，它们将成为未来30米级望远镜、JWST等地面与空间大型望远镜的重点后随观测目标。它们的密度、内部结构和大气成分，甚至生命的标志物分子成分都将被详细地观测与研究，以确定它们是否真正宜居。ET还将新发现约3万颗各类系外行星，其中包括约5000颗类地行星和约600颗流浪行星（包括流浪类地行星），这将把目前已知的各类行星种群规模扩大6倍以上、类地行星的数目扩大15倍以上。这对理解行星和行星系统的形成和演化具有划时代的意义。

ET将开启探索宇宙的新时代—“地球时代”，使我们真正地了解人类在宇宙中的位置和角色。

总结与展望

ET利用大视场和超高精度的测光观测，将有望发现第一个地球2.0并确定其发生率，在系外行星的探索中书写属于中国人浓墨重彩的一笔，这也将是中国科学界对世界的重大贡献之一。更进一步的后随观测，将推动地外生命的探索研究走向新的巅峰，最终帮助人类回答那个萦绕千年的问题：“Are we alone？”。而ET新获得大量行星样本，尤其是类地行星样本，使人类能够更加深入地了解系外行星种群的特征和分布，以及行星和行星系统的形成与演化过程。