人類在宇宙中是唯一的嗎？這個(gè)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(shí)不關(guān)注著宇宙和太空的天文學(xué)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(fā)現(xiàn)和確認(rèn)第一顆系外行星于2019年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的瑞士天文學(xué)家米歇爾·馬約爾（Michel Mayor），談起了這個(gè)問題。
我們回顧了人類目前已經(jīng)取得的成果——由美國(guó)2009年發(fā)射的開普勒計(jì)劃，已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星，其中有很多還被由馬約爾領(lǐng)導(dǎo)的課題組的地面望遠(yuǎn)鏡所確認(rèn)。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(rèn)為，在回答“人類是否唯一”的問題上，還有一個(gè)很重要的問題亟待解決：我們沒有對(duì)太陽系附近的那些恒星進(jìn)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(xiàn)在用到的探測(cè)系外行星的幾種方法。
在太空望遠(yuǎn)鏡開始這項(xiàng)工作之前，人類是用地面望遠(yuǎn)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(jiǎn)單來說，就是用地面望遠(yuǎn)鏡凝視一個(gè)恒星，測(cè)量其光譜的多普勒頻移變化。如果這個(gè)光譜出現(xiàn)周期性的頻率變化，就表明這個(gè)恒星受到了它附近行星的引力擾動(dòng)，其變化周期就正好是這顆行星圍繞其公轉(zhuǎn)的周期，比如數(shù)天、數(shù)十天等。這種方法最適合測(cè)量行星軌道面（恒星周圍行星系統(tǒng)的黃道面）正好在地球到那個(gè)恒星的視線方向上的行星。因?yàn)橹挥羞@樣，其多普勒頻移才出現(xiàn)最大值，才能被我們觀測(cè)到。當(dāng)然，在發(fā)現(xiàn)這個(gè)多普勒頻率變化周期之前，我們并不知道哪個(gè)恒星的行星軌道面正好在這個(gè)方向上，所以馬約爾教授他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)第一個(gè)系外行星之前，曾觀測(cè)過很多個(gè)恒星，并多次改進(jìn)光譜測(cè)量的精度，終于在1995年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)圍繞類似太陽的恒星公轉(zhuǎn)的系外行星（51 Pegasi b），并于2019年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
另一個(gè)發(fā)現(xiàn)系外行星的方法更為直接——觀測(cè)行星經(jīng)過恒星前面時(shí)對(duì)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(cè)又會(huì)受到大氣湍流的影響，無法實(shí)現(xiàn)精確的觀測(cè)，必須發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡。為此，美國(guó)國(guó)家航空宇航局（NASA）于2009年發(fā)射了第一個(gè)用于此目的太空望遠(yuǎn)鏡開普勒（Kepler）計(jì)劃。至2018年任務(wù)終止，該計(jì)劃共發(fā)現(xiàn)了6000多顆候選系外行星，其中3000多顆已經(jīng)得到了確認(rèn)。然而，最大的問題是這些行星距離我們都很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)，100光年以內(nèi)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(shí)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(fā)生凌星現(xiàn)象有關(guān)。因?yàn)樵谖覀兲栂档母浇軌驖M足這個(gè)條件的恒星太少了。
那到底有沒有更好的辦法來發(fā)現(xiàn)系外行星呢？有，這就是天體測(cè)量法。由我國(guó)科學(xué)家提出的近鄰宜居行星巡天計(jì)劃（Closeby Habitable Exoplanet Survey,CHES）采用的就是這個(gè)方法。這一計(jì)劃屬于中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)背景型號(hào)，目前已經(jīng)突破了關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。
一顆恒星，受到其周圍行星的擾動(dòng)，位置一定會(huì)發(fā)生周期性變化，這個(gè)變化發(fā)生在由行星與恒星運(yùn)動(dòng)定義的一個(gè)二維平面內(nèi)，即那個(gè)行星軌道面內(nèi)。從太陽系看過去，無論該行星軌道面是在哪個(gè)方向上，其擾動(dòng)都會(huì)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(gè)一維的運(yùn)動(dòng)；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(gè)二維的運(yùn)動(dòng)。因此，這種探測(cè)方法通常不會(huì)漏掉任何行星系統(tǒng)。
問題是，我們能看到這個(gè)微小的變化嗎？天體測(cè)量就是要解決這個(gè)問題。
第一步，我們要在被觀測(cè)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?yàn)樗鼈儾粍?dòng)（因?yàn)樗泻阈强赡芏加行行窍到y(tǒng)，因此其位置也都會(huì)被擾動(dòng)），而是因?yàn)樗鼈儽缺挥^測(cè)的目標(biāo)恒星離我們更遠(yuǎn)。也就是說，它們的微小位置變化，不影響對(duì)被觀測(cè)恒星的位置的測(cè)量。
第二步，我們用各種技術(shù)來解決精確測(cè)量的問題。首先，對(duì)被觀測(cè)的這幾顆恒星（包括近鄰的目標(biāo)恒星和遠(yuǎn)處的參考星）進(jìn)行定位。這些恒星的光斑，每一個(gè)落在望遠(yuǎn)鏡成像半導(dǎo)體器件上后，通常都要覆蓋數(shù)十個(gè)分辨單元。那么，恒星的位置如何確定呢？是簡(jiǎn)單的選擇最中間的一個(gè)嗎？不是。最好的辦法是通過軟件來計(jì)算光斑的中心在哪里，稱為“質(zhì)心定位（Centroiding）”。目前，在地面實(shí)驗(yàn)室真空條件下，精確度已經(jīng)達(dá)到了十萬分之一的分辨單元。這就能夠滿足用測(cè)量目標(biāo)恒星與參考星之間距離變化，來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)恒星周圍行星的要求了。其次，望遠(yuǎn)鏡需要具有非常高的機(jī)械和溫度穩(wěn)定性。這個(gè)通過航天工程中已經(jīng)成熟的溫控技術(shù)、材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可以達(dá)到的，并經(jīng)過了地面試驗(yàn)的驗(yàn)證。再次，為了更好地實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制，望遠(yuǎn)鏡需要發(fā)射到日地系統(tǒng)的拉格朗日L2點(diǎn)，并朝背向太陽的方向觀測(cè)。
CHES計(jì)劃能夠取得什么探測(cè)結(jié)果呢？首先，它會(huì)對(duì)距離太陽系100光年以內(nèi)的大約100顆與太陽相似的恒星進(jìn)行普查。因?yàn)槿魏我活w目標(biāo)恒星的行星系統(tǒng)中的所有行星（無論其行星軌道面的方向如何）的質(zhì)量、公轉(zhuǎn)周期，都會(huì)體現(xiàn)在對(duì)恒星的位置擾動(dòng)上，所以這個(gè)計(jì)劃是對(duì)近鄰恒星的行星系統(tǒng)的全面普查。其次，通過3-5年的觀測(cè)數(shù)據(jù)積累，可以發(fā)現(xiàn)宜居帶內(nèi)的類地行星。因?yàn)镃HES計(jì)劃所選擇的目標(biāo)恒星都是太陽類型的，因此宜居帶內(nèi)行星的公轉(zhuǎn)周期都應(yīng)該與地球類似，大約在1年左右。積累3年以上的數(shù)據(jù)，就會(huì)覆蓋宜居帶內(nèi)幾乎所有的類地行星。
可見，CHES計(jì)劃正是要回答“人類是否孤獨(dú)”、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?wù)摿藥讉€(gè)正在論證的相關(guān)計(jì)劃之后，他在我耳邊小聲說，希望中國(guó)的CHES計(jì)劃能夠盡快立項(xiàng)實(shí)施，因?yàn)檫@是他最為看好的一個(gè)。
我更加期盼的是，如果CHES計(jì)劃發(fā)現(xiàn)了也許只距離地球十幾個(gè)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?cè)撊绾螌?duì)它開展進(jìn)一步的探測(cè)，甚至通過無線電信號(hào)與那里可能存在的智慧生命進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的溝通？
來源：《光明日?qǐng)?bào)》
