近鄰宜居行星巡天計劃（以下簡稱“CHES計劃”）觀測策略日前在國際期刊《天文學(xué)雜志》發(fā)表。這一觀測策略由中國科學(xué)院紫金山天文臺領(lǐng)銜的科研團隊制定，該團隊圍繞CHES計劃開展了先期研究。

CHES計劃將發(fā)射1個搭載1.2米口徑高精度空間天體測量望遠(yuǎn)鏡的衛(wèi)星——CHES衛(wèi)星，通過空間微角秒級別的高精度天體測量方法，探測距太陽系約32光年的近鄰類日恒星宜居帶，并從中尋找“下一個地球”。

聚焦天文領(lǐng)域未解之謎

自1995年發(fā)現(xiàn)首顆系外行星起，人類迄今已發(fā)現(xiàn)6000余顆系外行星。“2000年以來, 國際上已啟動并實施了多個項目，進行系外行星的空間探測。然而，目前尚未發(fā)現(xiàn)類日恒星周圍宜居帶內(nèi)的類地行星。”中國科學(xué)院紫金山天文臺行星科學(xué)與深空探測實驗室主任、首席研究員季江徽告訴記者。

10月15日，中國科學(xué)院、國家航天局及中國載人航天工程辦公室聯(lián)合發(fā)布《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》，提出我國空間科學(xué)發(fā)展“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)。該規(guī)劃將“宜居行星”主題列為我國有望取得突破的五大科學(xué)主題之一，并提出“探索太陽系天體和系外行星的宜居性，開展地外生命探尋”。

何為宜居行星？季江徽說，宜居帶是恒星周圍適宜生命存在的區(qū)域。在宜居帶內(nèi)，行星表面平均溫度能維持液態(tài)水的穩(wěn)定存在，同時恒星輻射與活動性不能太強，以免破壞行星大氣。在太陽系，地球的軌道位于金星與火星之間，恰好處于太陽系宜居帶。“宜居帶類地行星被視為宇宙中的‘新大陸’，是人類探索生命信號的主要目標(biāo)。這些行星有望成為理想的人類第二家園，即‘下一個地球’。”他說。

季江徽介紹，目前，距離太陽系32光年以內(nèi)發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)僅占系外行星總數(shù)的2%，其中僅有16顆是宜居帶上的巖石行星，且均圍繞溫度較低的紅矮星運行，這樣的條件對生命的存活不利。因此，“‘下一個地球’究竟在哪里”，仍是天文學(xué)上的未解之謎。尤其令人困擾的是，在距離太陽系32光年以內(nèi)的類日恒星中，約90%的恒星周圍尚未探測到行星存在。作為國際上首個直接探測近鄰類日恒星宜居帶類地行星的空間任務(wù)，CHES計劃有望解答“近鄰宜居系外行星的分布”“地球是否唯一”“行星如何成為生命搖籃”等重大科學(xué)問題。

突破天體測量關(guān)鍵技術(shù)

季江徽及團隊長期開展系外行星探測以及地外生命探尋等研究，他介紹，CHES計劃將采用原創(chuàng)性技術(shù)路線，利用基于空間微角秒級別的高精度天體測量和定位技術(shù)，普查太陽系近鄰約100顆類日恒星, 并從中探測宜居帶類地行星或“超級地球”。同時，該計劃還將詳細(xì)普查宜居行星的數(shù)目、真實質(zhì)量和三維軌道等信息。

“CHES計劃采用的原創(chuàng)性技術(shù)路線，具體將由微像素星間距測量、低畸變大視場望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)和高穩(wěn)定度姿控、高精度熱控等技術(shù)來實現(xiàn)。”中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心副研究員李海濤說，微像素星間距測量技術(shù)將通過外插式激光干涉手段對探測器的像素特性進行標(biāo)定，實現(xiàn)約10-5像素級別的星間距測量精度；低畸變大視場望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)主要包括反射鏡的研磨、鏡頭的微應(yīng)力固定、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計、系統(tǒng)輕量化、系統(tǒng)裝配及檢測等具體技術(shù)；高穩(wěn)定度姿控、高精度熱控技術(shù)則可以使CHES衛(wèi)星平臺性能更穩(wěn)定。

近年來，紫金山天文臺聯(lián)合中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、光電技術(shù)研究所和微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，充分發(fā)揮中國科學(xué)院體制化建制化優(yōu)勢，已在上述關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破。季江徽說，通過采用原創(chuàng)性探測方法，CHES計劃希望填補近鄰類日恒星宜居帶類地行星探測的空白。

開展目標(biāo)恒星仿真觀測

針對CHES衛(wèi)星發(fā)射后在日地拉格朗日L2點的運行情況，團隊已開展目標(biāo)恒星的仿真觀測研究。為確保探測任務(wù)能有效捕捉到類日恒星宜居帶內(nèi)類地行星的信號，科研團隊為每個目標(biāo)恒星制定了詳盡觀測策略與優(yōu)化方案，并對各目標(biāo)恒星在探測任務(wù)周期內(nèi)的觀測時刻作了科學(xué)規(guī)劃。

“團隊綜合考慮了載荷觀測效率、衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性及熱控精度的高要求，選擇在日地拉格朗日L2點的暈軌道上運行5年。”季江徽介紹，1.2米口徑高精度空間天體測量望遠(yuǎn)鏡設(shè)有主要觀測和重復(fù)觀測兩種模式。主要觀測模式將在垂直于黃道面的方向上依次進行循環(huán)觀測，觀測方向?qū)⒃诖怪庇谔柡蚅2點連線的平面上繞連線旋轉(zhuǎn)，承擔(dān)大部分觀測任務(wù)。重復(fù)觀測模式則用于補足觀測次數(shù)要求較多或分布密集的恒星，觀測方向會根據(jù)需要進行調(diào)整。

在主要觀測模式下，望遠(yuǎn)鏡的觀測范圍將隨著地球繞太陽的公轉(zhuǎn)而變化。為避免陽光直射對觀測的影響，當(dāng)觀測方向與太陽方向的夾角小于60度時，將不再重復(fù)觀測。因此，每年每顆目標(biāo)恒星的可觀測時間約占全年的2/3。

季江徽介紹，在5年的任務(wù)周期內(nèi)，望遠(yuǎn)鏡的觀測區(qū)域每年均將有所調(diào)整，從而確保目標(biāo)恒星在每年觀測的時刻不同，以便充分觀測視差及行星軌道，進而提高對宜居帶類地行星信號的探測能力。

研究人員還模擬了目標(biāo)恒星HD 88230周圍宜居帶存在一顆類地行星的情形，并進行了仿真觀測與數(shù)據(jù)擬合。結(jié)果驗證了該觀測策略能探測到信號。研究人員還成功反演出其軌道參數(shù)。

季江徽說，在5年的任務(wù)周期內(nèi)，CHES衛(wèi)星將累計有29220小時可用于科學(xué)觀測，其中25120小時專用于CHES計劃的近鄰系外宜居行星探測，占總觀測時間的86%；其余4100小時則用于拓展科學(xué)目標(biāo)的研究，例如X射線雙星與恒星級黑洞的質(zhì)量測量等，這將有助于深入理解黑洞的形成及其他前沿科學(xué)問題。

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