宇宙“長征”計(jì)劃:
尋找“地球2.0”
葛健
浩瀚宇宙,人類除了地球之外,還能找到第二個可以星際移民的“家園”嗎?對于宇宙的想象,人類從未停止探索,二十年前,抱著這樣的疑問,天文學(xué)家設(shè)計(jì)了開普勒太空望遠(yuǎn)鏡,開展對宇宙的“行星普查”,希望找到和地球相似的繞著類太陽恒星周圍的宜居行星,即“地球2.0”;但受限于此前的技術(shù)和對銀河系其他恒星的認(rèn)識,那些遙遠(yuǎn)的“地球2.0”的行星信號總是如此微弱,以至于人類未能發(fā)現(xiàn)它們的存在,更無法解讀它們的奧秘;隨著科技的進(jìn)步,科學(xué)家們終于將目光再次投向遙遠(yuǎn)的太陽系外的“地球2.0”行星。
根據(jù)4月12日英國《自然》雜志網(wǎng)站報(bào)道指出,中國正在計(jì)劃的、名為“地球2.0”的任務(wù)有望改變這種狀況。
文/廣州日報(bào)全媒體記者 程依倫、武威
圖/廣州日報(bào)全媒體記者 程依倫(除署名外)
按計(jì)劃,這項(xiàng)名為“地球2.0”的任務(wù)將由中國科學(xué)院資助。根據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、中國科學(xué)院上海天文臺葛健教授介紹,目前該團(tuán)隊(duì)進(jìn)入了工程立項(xiàng)論證的第二階段,正在完成科學(xué)衛(wèi)星的概念設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān);如果技術(shù)論證得以在今年6月完成并通過最終專家評審,任務(wù)小組將進(jìn)入工程階段開始建造衛(wèi)星,這顆衛(wèi)星將于2026年底前,隨著“長征”火箭進(jìn)入宇宙,開始它的漫長征途,并于2027年夏天開始科學(xué)觀測,開始搜尋第一顆在類日恒星宜居區(qū)內(nèi)運(yùn)動的類地行星的征程。
而天文學(xué)家認(rèn)為,這樣一顆“地球2.0”行星將具備適合液態(tài)水(甚至生命)存在的條件。
彌補(bǔ)“開普勒”遺憾:
微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡有望“巡天”
迄今為止,科學(xué)家已經(jīng)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了5000多顆系外行星,其中大部分由美國國家航空航天局(NASA)的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。
開普勒衛(wèi)星打開了觀察宇宙的大窗口,這顆于2009年發(fā)射升空的望遠(yuǎn)鏡,在運(yùn)行的短短四年內(nèi)就“單槍匹馬”地發(fā)現(xiàn)了近三千顆系外行星,大大顛覆了人類對于系外行星世界的認(rèn)知。開普勒計(jì)劃的核心目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)繞著類日恒星運(yùn)行的宜居類地行星,遺憾的是,在開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的系外行星中,只有一些是圍繞小型紅矮星運(yùn)轉(zhuǎn)的類地巖石天體,但沒有一顆繞類日恒星的“地球2.0”。
不過開普勒的失敗也給了“后來者”兩個經(jīng)驗(yàn):第一,恒星不“恒”。恒星表面大氣復(fù)雜多變,使得其亮度不穩(wěn)定,以至于開普勒捕捉到的信號也存在閃爍不定的情況;第二,探測時間。開普勒在運(yùn)行四年之后,曾出現(xiàn)兩個反作用輪連續(xù)失靈的問題,無法再繼續(xù)觀測同一個天區(qū)的恒星目標(biāo)并希望以此發(fā)現(xiàn)極其微弱的“地球2.0”的信號。在運(yùn)行9年后,開普勒太空望遠(yuǎn)鏡于2018年耗盡燃料不再繼續(xù)觀測,最終成了游蕩在太陽系的“孤膽英雄”。
美國加州理工學(xué)院NASA系外行星科學(xué)研究所天體物理學(xué)家杰西·克里斯蒂安森表示,在目前的技術(shù)和望遠(yuǎn)鏡條件下,很難探測到類地小行星的信號。中國在尋找系外類地行星方面雖處于起步階段,也一直不曾停止探索,并取得了一定的成績:如由南大謝基偉教授牽頭,使用我國LAMOST望遠(yuǎn)鏡對開普勒的行星“候選者”的光譜研究發(fā)現(xiàn)熱海王星的新種群的原創(chuàng)工作;由清華大學(xué)毛淑德教授牽頭,利用和韓國的KMTNet團(tuán)隊(duì)合作,發(fā)現(xiàn)了幾顆質(zhì)量最小的冷行星和流浪行星;上海天文臺的青年引進(jìn)人才鄧洪平和李亞平博士,在類地行星的行星形成理論方面也做出一些原創(chuàng)的工作等。
“地球2.0”計(jì)劃,是中國空間科學(xué)又一次的大膽的系外行星搜尋的嘗試。該項(xiàng)目是中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)支持的空間科學(xué)衛(wèi)星的背景型研究,目標(biāo)是發(fā)射一個到日-地拉格朗日L2點(diǎn)處的、由6臺凌星望遠(yuǎn)鏡和1臺微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡載荷的科學(xué)衛(wèi)星。根據(jù)葛健介紹,這顆衛(wèi)星上安裝的6臺凌星望遠(yuǎn)鏡將在接下來的4年開展凌星行星巡天,希望能發(fā)現(xiàn)約5000顆類地行星,其中包括10多顆和地球相似的“地球2.0”行星,即繞著類太陽宜居軌道上地球大小(0.8~1.25地球半徑)的行星;另1臺微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡將同時開展微引力透鏡巡天,希望能發(fā)現(xiàn)上千顆冷行星和流浪行星。
而與開普勒等單個大型望遠(yuǎn)鏡相比,同時使用多個小型望遠(yuǎn)鏡可為科學(xué)家提供更廣闊的視野?!?個望遠(yuǎn)鏡疊加,可以獲得開普勒望遠(yuǎn)鏡5倍的視場,再用非常低噪聲的儀器,獲得超過開普勒2到3倍的觀測深度,我們的探測器的搜尋能力將是開普勒任務(wù)的10到15倍?!?/p>
而微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡,則用于探測流浪行星(不圍繞任何恒星運(yùn)行的自由漫游天體)以及遠(yuǎn)離其恒星的在和木星、土星以及海王星相似軌道上的冷的系外行星。葛健表示,該望遠(yuǎn)鏡將瞄準(zhǔn)銀河系的中心,那里存在大量恒星,便于發(fā)現(xiàn)由這些冷行星或流浪行星產(chǎn)生的微引力透鏡事件。如果發(fā)射成功,這將是第一臺在太空運(yùn)行的微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡。他說:“我們的衛(wèi)星基本上可以確定不同大小、質(zhì)量和年齡的系外行星,為未來的系外行星研究提供豐富的數(shù)據(jù)?!?/p>
尋找另一顆地球:
“星際旅行依舊可能實(shí)現(xiàn)”
用什么去尋找真正的“地球2.0” ?據(jù)葛健介紹,目前在觀測技術(shù)中,科學(xué)家們最主要的是采用空間凌星方法和地面的視向速度法。篩選類地行星的過程大致分為以下幾個步驟:“首先是通過凌星觀測,發(fā)現(xiàn)大小和軌道滿足類地行星的‘候選者’,尤其是‘地球2.0’的候選者;然后進(jìn)行后續(xù)觀測,尤其是視向速度觀測,來幫助確定質(zhì)量。有了大小和質(zhì)量,就可以確定它的密度;有了密度就基本可以確定是否為與地球相似的巖質(zhì)行星。如是巖質(zhì)行星,再對其中繞著較亮的恒星的主星進(jìn)行光譜觀測,希望能探測到它的大氣成分,正如大氣中有水,氧氣、二氧化碳等分子成分;如果存在,那么這一顆行星多半和地球一樣適合生命的生存和繁衍。”
但受限于技術(shù),只有空間凌星法已實(shí)現(xiàn)可以探測到“地球2.0”的測量精度,而地面的視向速度的精度還差3~5倍才可以發(fā)現(xiàn)第二顆地球。因此在目前發(fā)現(xiàn)的宜居行星中,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的都是繞著小質(zhì)量的紅矮星附近類地行星,由于這些行星離它們的主星太近(大約日地距離的1/10左右),這些行星都像月亮那樣處于潮汐鎖定狀態(tài):其中一面永遠(yuǎn)朝著主星,氣候炎熱干燥;另一面背著主星,氣候嚴(yán)寒潮濕。更重要的是這些紅矮星表面還會噴射比太陽更強(qiáng)烈100~1000倍的火焰,很可能把表面燒焦,讓生命無法產(chǎn)生。
而一顆理想的、真正的“地球2.0”,將是一顆與地球的大小、質(zhì)量相當(dāng)?shù)男行?,且它與我們的恒星有著類似的日地距離,“同時宜居行星的世界和我們太陽系相似,有可能也有塵埃,有能產(chǎn)生塵埃的小行星和彗星等成分以及它們的活動現(xiàn)象?!苯衲暌辉路?,由葛健帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在三顆潛在的宜居行星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了由行星際塵埃產(chǎn)生的熱輻射,這些行星分別是由開普勒太空望遠(yuǎn)鏡探測發(fā)現(xiàn)的Kepler-69c、Kepler-1229b和Kepler-395c,都是超級地球,比類地行星的大小和質(zhì)量要大,大約離我們1000 光年左右。未來,“地球2.0”計(jì)劃將有希望發(fā)現(xiàn)太陽系外的可居住的類地行星。
“雖然很遙遠(yuǎn),但未來的星際旅行依舊是可能實(shí)現(xiàn)的。”葛健暢想。而在尋求另一顆地球的路上,葛健還表示,他計(jì)劃在收集數(shù)據(jù)后一兩年內(nèi)向外公布,“目前,‘地球2.0’團(tuán)隊(duì)已有大約300名科學(xué)家和工程師,其中大部分來自中國,但我們?nèi)匀幌M懈嗵煳膶W(xué)家加入,通過開展國際合作,共同尋找‘地球2.0’?!?/p>
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