用中国技术,寻找地球“兄弟”

学术   2024-11-07 19:30   北京  

文 | 《中国科学报》 记者 袁一雪


CHES望远镜缩比样机实物。紫金山天文台供图


今年10月,中国科学院、国家航天局和中国载人航天工程办公室联合发布《国家空间科学中长期发展规划(2024—2050年)》,提出我国空间科学发展的“三步走”战略目标,并将“宜居行星”探测列为五大科学主题之一,指出“近邻宜居系外行星”为重要的前沿研究方向。


实际上,早在10余年前,我国科研人员就开始探测“宜居行星”了。中国科学院紫金山天文台(以下简称紫金山天文台)领衔的科研团队围绕近邻宜居行星巡天计划(CHES)空间探测已经开展了先期研究。


“将这一工作纳入规划,是因为在中国科学院空间科学先导专项背景型号项目的支持下,我们目前在科学目标的深化论证和关键技术方面取得了突破性进展,具备了开展近邻宜居系外行星探测的能力。”紫金山天文台行星科学与深空探测实验室主任、首席研究员季江徽告诉《中国科学报》。


对于CHES,季江徽说:“它是具有独特原创性技术路线的‘中国方案’。”


来自中国的原创方案



探索地外生命与系外宜居行星是天文学的基础研究前沿之一,关乎“地球是否唯一”及“行星如何成为生命摇篮”等重大科学问题。为了找到答案,科学家们对标地球生存环境,总结特征,按图索骥,期望找到地球的“兄弟”。

自1995年发现第一颗系外行星以来,全球科研人员采用多种方法从多维度探测寻找,已发现6000余颗系外行星。

“我国提出的CHES采用原创性技术路线,基于高精度天体测量法,在近邻的类日恒星周围进行宜居行星的深入探测。”季江徽介绍说,“这一方法受恒星活动影响小,轨道构型几乎不受限制,能够获得行星的三维轨道与真实质量。”

该计划将发射一个搭载1.2米口径空间望远镜的卫星——CHES卫星,通过微角秒级的相对天体测量方法,探测距太阳系约32光年的100颗近邻类日恒星宜居带,寻找“下一个地球”,即“地球2.0”。

“CHES将是首个直接探测近邻类日恒星宜居带类地行星的空间任务,将回答太阳系附近类日恒星运行的宜居带行星是否存在、出现宜居行星的概率是多少,以及这些行星如何分布等问题。”季江徽对CHES充满信心,“它独特的探测方法将填补近邻宜居行星的探测空白,距离发现真正的‘地球2.0’可谓咫尺之遥。”

多团队协同合作



若要实现“首次发现‘地球2.0’,包括超过50颗宜居带类地行星与超级地球”的目标,离不开尖端技术,更离不开高质量技术团队的保障。

在空间科学先导专项背景型号项目的支持下,紫金山天文台协同中国科学院国家空间科学中心(以下简称空间中心)、中国科学院光电技术研究所(以下简称光电所)和中国科学院微小卫星创新研究院(以下简称卫星创新院),充分发挥中国科学院体系化、建制化优势,在微像素星间距测量技术、低畸变大视场望远镜光学系统技术和卫星系统方案与关键技术等方面,展开核心技术攻关。

季江徽介绍,以空间中心为例,在研制微像素星间距测量技术真空试验系统时,空间中心对真空条件下约10-5像素量级星间距测量技术进行试验验证,开展两星点像波像差差异和亮度差异对微像素星间距测量精度影响试验验证,探索采用外差式激光干涉条纹作为尺子,研究标定精度的影响因素。目前,该测量技术已突破10-5像素量级星间距。


而光电所和卫星创新院则分别负责低畸变大视场望远镜光学系统技术研究和针对CHES卫星科学任务关键技术的攻关。


“CHES团队固定人员近百人,是一支年轻的科研队伍。”季江徽说,“借助CHES平台,这个科研团队除了在中国科学院内展开合作外,还与国内外多个系外行星探测研究团队建立了密切的合作关系。”


两种观测模式



CHES卫星将如何寻找类日恒星宜居带类地行星呢?


为了让CHES卫星提前适应任务,科研人员开展了近100个目标恒星的仿真观测研究,为每个目标恒星制定了详尽的观测策略与方案。“我们设计了两种观测模式:主要观测模式将在垂直于黄道面的方向上依次进行循环观测,承担大部分观测任务;重复观测模式则用于补足观测次数要求较多或分布密集的恒星,观测方向会根据需要进行调整。每年每颗目标恒星的可观测时间约占全年的2/3。”季江徽介绍。


执行任务时,CHES卫星将在日地拉格朗日L2点的晕轨道(Halo轨道)上运行。“日地拉格朗日L2点是一个优良的天文学观测区域,保证卫星等设备不受地球重力梯度影响,可实现全天时观测,且轨道的热辐射环境比较稳定。综合考虑载荷观测效率、卫星姿态稳定性、热控精度的极高要求,CHES卫星将在L2点的Halo轨道上运行5年。”季江徽表示。


在执行任务的5年周期内,CHES卫星的观测区域每年都会有变化,确保目标恒星在每年观测的时刻不同,从而提高对宜居带类地行星信号的探测能力。一旦发现目标,CHES卫星将通过卫星的天线将数据传输给地面的科学应用系统和接收站。


据介绍,2030年前后,我国拟开展的宜居系外行星空间探测任务还有ET计划、觅音计划和天邻计划等。


《中国科学报》 (2024-11-07 第3版 综合)


编辑 | 赵路
排版 | 志海

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