人類在宇宙中是唯一的嗎？這個直接沖擊靈魂的問題自從提出，就一直困擾著人類，特別是那些無時不關注著宇宙和太空的天文學家們。不久前，在第六屆世界著名的星樂論壇（STARMUSVI）上，我與老朋友、曾因發現和確認第一顆系外行星于2019年獲得諾貝爾物理學獎的瑞士天文學家米歇爾·馬約爾（Michel Mayor），談起了這個問題。
我們回顧了人類目前已經取得的成果——由美國2009年發射的開普勒計劃，已發現了數千顆系外行星，其中有很多還被由馬約爾領導的課題組的地面望遠鏡所確認。但是，在這些系外行星中，還沒有一顆是真正和我們地球相似的類地行星。我們認為，在回答“人類是否唯一”的問題上，還有一個很重要的問題亟待解決：我們沒有對太陽系附近的那些恒星進行過普查。這也是我們最需要回答的問題：我們有沒有近鄰？
那為什么不先尋找一下太陽系附近那些恒星呢？這就不得不解釋下現在用到的探測系外行星的幾種方法。
在太空望遠鏡開始這項工作之前，人類是用地面望遠鏡來尋找系外行星的，也就是馬約爾教授牽頭開始的探索性工作。這種方法稱為“視向速度法”。簡單來說，就是用地面望遠鏡凝視一個恒星，測量其光譜的多普勒頻移變化。如果這個光譜出現周期性的頻率變化，就表明這個恒星受到了它附近行星的引力擾動，其變化周期就正好是這顆行星圍繞其公轉的周期，比如數天、數十天等。這種方法最適合測量行星軌道面（恒星周圍行星系統的黃道面）正好在地球到那個恒星的視線方向上的行星。因為只有這樣，其多普勒頻移才出現最大值，才能被我們觀測到。當然，在發現這個多普勒頻率變化周期之前，我們并不知道哪個恒星的行星軌道面正好在這個方向上，所以馬約爾教授他們在發現第一個系外行星之前，曾觀測過很多個恒星，并多次改進光譜測量的精度，終于在1995年發現了第一個圍繞類似太陽的恒星公轉的系外行星（51 Pegasi b），并于2019年獲得諾貝爾物理學獎。
另一個發現系外行星的方法更為直接——觀測行星經過恒星前面時對光通量的遮擋，稱為“凌星法”。由于凌星引起的恒星光度的變化非常微弱，在地面上觀測又會受到大氣湍流的影響，無法實現精確的觀測，必須發射太空望遠鏡。為此，美國國家航空宇航局（NASA）于2009年發射了第一個用于此目的太空望遠鏡開普勒（Kepler）計劃。至2018年任務終止，該計劃共發現了6000多顆候選系外行星，其中3000多顆已經得到了確認。然而，最大的問題是這些行星距離我們都很遠很遠，100光年以內的少之又少；與地球類似的巖石類行星少之又少；宿主恒星與太陽相似、同時行星又與地球相似，還是我們近鄰的行星根本沒有。
這與“凌星法”必須要求行星軌道面與我們看到它們的視線接近平行，并發生凌星現象有關。因為在我們太陽系的附近，能夠滿足這個條件的恒星太少了。
那到底有沒有更好的辦法來發現系外行星呢？有，這就是天體測量法。由我國科學家提出的近鄰宜居行星巡天計劃（Closeby Habitable Exoplanet Survey,CHES）采用的就是這個方法。這一計劃屬于中國科學院先導專項背景型號，目前已經突破了關鍵技術研發。
一顆恒星，受到其周圍行星的擾動，位置一定會發生周期性變化，這個變化發生在由行星與恒星運動定義的一個二維平面內，即那個行星軌道面內。從太陽系看過去，無論該行星軌道面是在哪個方向上，其擾動都會被我們看到——如果行星軌道面正好在我們視線方向上，我們看到的將是一個一維的運動；如果行星軌道面恰好面向我們視線方向，我們看到的將是一個二維的運動。因此，這種探測方法通常不會漏掉任何行星系統。
問題是，我們能看到這個微小的變化嗎？天體測量就是要解決這個問題。
第一步，我們要在被觀測恒星的視線方向周圍找到幾顆參考星。之所以管它們叫“參考星”，并不是因為它們不動（因為所有恒星可能都有行星系統，因此其位置也都會被擾動），而是因為它們比被觀測的目標恒星離我們更遠。也就是說，它們的微小位置變化，不影響對被觀測恒星的位置的測量。
第二步，我們用各種技術來解決精確測量的問題。首先，對被觀測的這幾顆恒星（包括近鄰的目標恒星和遠處的參考星）進行定位。這些恒星的光斑，每一個落在望遠鏡成像半導體器件上后，通常都要覆蓋數十個分辨單元。那么，恒星的位置如何確定呢？是簡單的選擇最中間的一個嗎？不是。最好的辦法是通過軟件來計算光斑的中心在哪里，稱為“質心定位（Centroiding）”。目前，在地面實驗室真空條件下，精確度已經達到了十萬分之一的分辨單元。這就能夠滿足用測量目標恒星與參考星之間距離變化，來發現目標恒星周圍行星的要求了。其次，望遠鏡需要具有非常高的機械和溫度穩定性。這個通過航天工程中已經成熟的溫控技術、材料選擇和結構設計是可以達到的，并經過了地面試驗的驗證。再次，為了更好地實現溫度的穩定控制，望遠鏡需要發射到日地系統的拉格朗日L2點，并朝背向太陽的方向觀測。
CHES計劃能夠取得什么探測結果呢？首先，它會對距離太陽系100光年以內的大約100顆與太陽相似的恒星進行普查。因為任何一顆目標恒星的行星系統中的所有行星（無論其行星軌道面的方向如何）的質量、公轉周期，都會體現在對恒星的位置擾動上，所以這個計劃是對近鄰恒星的行星系統的全面普查。其次，通過3-5年的觀測數據積累，可以發現宜居帶內的類地行星。因為CHES計劃所選擇的目標恒星都是太陽類型的，因此宜居帶內行星的公轉周期都應該與地球類似，大約在1年左右。積累3年以上的數據，就會覆蓋宜居帶內幾乎所有的類地行星。
可見，CHES計劃正是要回答“人類是否孤獨”、特別是回答“我們的近鄰在哪里”問題所必須的。
回到我和馬約爾教授的談話，他迫切地希望人類在尋找類地行星方面盡快獲得突破。在談論了幾個正在論證的相關計劃之后，他在我耳邊小聲說，希望中國的CHES計劃能夠盡快立項實施，因為這是他最為看好的一個。
我更加期盼的是，如果CHES計劃發現了也許只距離地球十幾個光年的、真正意義上的類地行星，也就是通常所說的地球的兄弟后，我們該如何對它開展進一步的探測，甚至通過無線電信號與那里可能存在的智慧生命進行點對點的溝通？
來源：《光明日報》
