近鄰宜居行星巡天計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱“CHES計(jì)劃”）觀測(cè)策略日前在國(guó)際期刊《天文學(xué)雜志》發(fā)表。這一觀測(cè)策略由中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)制定，該團(tuán)隊(duì)圍繞CHES計(jì)劃開展了先期研究。

CHES計(jì)劃將發(fā)射1個(gè)搭載1.2米口徑高精度空間天體測(cè)量望遠(yuǎn)鏡的衛(wèi)星——CHES衛(wèi)星，通過(guò)空間微角秒級(jí)別的高精度天體測(cè)量方法，探測(cè)距太陽(yáng)系約32光年的近鄰類日恒星宜居帶，并從中尋找“下一個(gè)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(lái), 國(guó)際上已啟動(dòng)并實(shí)施了多個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)行系外行星的空間探測(cè)。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(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)行星科學(xué)與深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室主任、首席研究員季江徽告訴記者。

10月15日，中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家航天局及中國(guó)載人航天工程辦公室聯(lián)合發(fā)布《國(guó)家空間科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》，提出我國(guó)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(guó)有望取得突破的五大科學(xué)主題之一，并提出“探索太陽(yáng)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(shuō)，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(shí)恒星輻射與活動(dòng)性不能太強(qiáng)，以免破壞行星大氣。在太陽(yáng)系，地球的軌道位于金星與火星之間，恰好處于太陽(yáng)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(hào)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(gè)地球’。”他說(shuō)。

季江徽介紹，目前，距離太陽(yáng)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(yùn)行，這樣的條件對(duì)生命的存活不利。因此，“‘下一個(gè)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(yáng)系32光年以內(nèi)的類日恒星中，約90%的恒星周圍尚未探測(cè)到行星存在。作為國(guó)際上首個(gè)直接探測(cè)近鄰類日恒星宜居帶類地行星的空間任務(wù)，CHES計(jì)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(wèn)題。

突破天體測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

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

“CHES計(jì)劃采用的原創(chuàng)性技術(shù)路線，具體將由微像素星間距測(cè)量、低畸變大視場(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心副研究員李海濤說(shuō)，微像素星間距測(cè)量技術(shù)將通過(guò)外插式激光干涉手段對(duì)探測(cè)器的像素特性進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)約10-5像素級(jí)別的星間距測(cè)量精度；低畸變大視場(chǎng)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(jì)、系統(tǒng)輕量化、系統(tǒng)裝配及檢測(cè)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(tái)性能更穩(wěn)定。

近年來(lái)，紫金山天文臺(tái)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院國(guó)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(guó)科學(xué)院體制化建制化優(yōu)勢(shì)，已在上述關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破。季江徽說(shuō)，通過(guò)采用原創(chuàng)性探測(cè)方法，CHES計(jì)劃希望填補(bǔ)近鄰類日恒星宜居帶類地行星探測(cè)的空白。

開展目標(biāo)恒星仿真觀測(cè)

針對(duì)CHES衛(wèi)星發(fā)射后在日地拉格朗日L2點(diǎn)的運(yùn)行情況，團(tuán)隊(duì)已開展目標(biāo)恒星的仿真觀測(cè)研究。為確保探測(cè)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(hào)，科研團(tuán)隊(duì)為每個(gè)目標(biāo)恒星制定了詳盡觀測(cè)策略與優(yōu)化方案，并對(duì)各目標(biāo)恒星在探測(cè)任務(wù)周期內(nèi)的觀測(cè)時(shí)刻作了科學(xué)規(guī)劃。

“團(tuán)隊(duì)綜合考慮了載荷觀測(cè)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(diǎn)的暈軌道上運(yùn)行5年。”季江徽介紹，1.2米口徑高精度空間天體測(cè)量望遠(yuǎn)鏡設(shè)有主要觀測(cè)和重復(fù)觀測(cè)兩種模式。主要觀測(cè)模式將在垂直于黃道面的方向上依次進(jìn)行循環(huán)觀測(cè)，觀測(cè)方向?qū)⒃诖怪庇谔?yáng)和L2點(diǎn)連線的平面上繞連線旋轉(zhuǎn)，承擔(dān)大部分觀測(cè)任務(wù)。重復(fù)觀測(cè)模式則用于補(bǔ)足觀測(cè)次數(shù)要求較多或分布密集的恒星，觀測(cè)方向會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

在主要觀測(cè)模式下，望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)范圍將隨著地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)而變化。為避免陽(yáng)光直射對(duì)觀測(cè)的影響，當(dāng)觀測(cè)方向與太陽(yáng)方向的夾角小于60度時(shí)，將不再重復(fù)觀測(cè)。因此，每年每顆目標(biāo)恒星的可觀測(cè)時(shí)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(cè)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(cè)的時(shí)刻不同，以便充分觀測(cè)視差及行星軌道，進(jìn)而提高對(duì)宜居帶類地行星信號(hào)的探測(cè)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(jìn)行了仿真觀測(cè)與數(shù)據(jù)擬合。結(jié)果驗(yàn)證了該觀測(cè)策略能探測(cè)到信號(hào)。研究人員還成功反演出其軌道參數(shù)。

季江徽說(shuō)，在5年的任務(wù)周期內(nèi)，CHES衛(wèi)星將累計(jì)有29220小時(shí)可用于科學(xué)觀測(cè)，其中25120小時(shí)專用于CHES計(jì)劃的近鄰系外宜居行星探測(cè)，占總觀測(cè)時(shí)間的86%；其余4100小時(shí)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(jí)黑洞的質(zhì)量測(cè)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(wèn)題。

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