使用我们这种高精度的空间相对天体测量方法，
即使仅仅观测100颗近邻类日恒星，
预计将可以发现不少于20颗宜居带类地行星。
季江徽 · 中国科学院紫金山天文台研究员
格致论道·湾区第25期｜2023年9月25日 广州
大家好，我叫季江徽，来自中国科学院紫金山天文台。今天我想跟大家分享的故事是如何去寻找下一个地球。
为什么要寻找下一颗地球？
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太阳系是如何诞生的、地球是怎样形成的，以及生命是如何起源的，这些都是值得关注的科学问题，我们可以通过下面这个视频去了解。
整个太阳系诞生在一个星云里面，星云的中央就形成了我们看到的原始太阳，太阳的周边就形成了原始星周盘，也就是由气体跟尘埃组成的原行星盘。我们的地球以及大行星，包括很多这些小天体就是来源于这样一个原行星盘。
行星形成以后，空间中还散布着许多没有形成大行星的天体，我们今天把它们叫做小行星。特别是在地球附近，那些尺寸大于140米，轨道经常和地球轨道相交的一类天体，我们把它们叫做近地小行星。
▲人类已经发现了2270颗潜在威胁天体
这些大尺寸的近地小行星已经发现了2200多颗，它们有可能撞击地球，给地球带来威胁。
在过去十几年里，地球上发生了一千多次火流星撞击的事件，每年差不多要发生40次。特别是2013年2月15日，在俄罗斯车里雅宾斯克，一颗15米大小的陨星在空中发生了爆炸，威力相当于30倍广岛原子弹，造成了1600多人受伤。面对这样的威胁，我们应该怎么做呢？
▲左：中国首次命名“中华星”
右：近地天体望远镜发现42颗近地小行星
我们紫金山天文台的老台长张钰哲先生发现了第一颗小行星，并且将其命名为“中华星”，开创了我国行星科学的宏大事业。今天，借助于紫金山天文台的近地天体望远镜，我们的同事已经发现了40多颗近地小行星。
▲左：2.5米口径“墨子”巡天望远镜
右：嫦娥二号，飞越探测图塔蒂斯
同时，位于青海冷湖由中国科学技术大学和紫金山天文台联合研制的2.5米口径大视场巡天望远镜“墨子”，以及未来中国空间站巡天望远镜，对近地天体的发现和监测都是它们的核心科学目标。我们也参加了一些深空探测任务，譬如嫦娥二号的拓展任务，探索了一颗最大的近地小行星图塔蒂斯。
除了来自外太空的威胁，我们的地球还面对自身的危机。譬如全球变暖造成的冰川融化，核污染废料排出造成的海洋污染，以及地震、火山等对地球造成的伤害……这些都意味着，地球可能在未来的某一天变得不是那么宜居。那我们究竟应该怎么办？
什么样的宜居星球算合格？
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首先，我们来寻找一下在太阳系里面，除了地球以外有没有其他星球适合人类居住。
在大家心中，所谓的宜居星球应该是什么样的？如果以地球作为样本，那么它一定是温度适宜的，大小和质量与地球相当。它还得是一颗岩石的行星，最好有磁场和大气，避免我们受到来自外太空的辐射影响。
▲《火星救援》——太阳系内的行星改造
在太阳系里面要找一颗最接近于地球的星球，那就是火星。因此很多的太空任务都是发射火星车，在火星上寻找生命和水。大家也许从电影《火星救援》里了解到，航天员马克在火星上可以种植植物来延续他的生命。
▲“火星快车”“机遇号”发现含水硫酸盐矿物
“毅力号”发现岩石样本中大量有机物
通过“毅力号”和“机遇号”这样的探测器，科学家在火星上面寻找到很多和生命有关的信息，特别是它们在火星上找到的水和有机物为人类探索带来了更多的信息。
▲左：土卫二
中：土卫六
右：木卫二
除了火星以外，其他大行星的卫星里或许也有很多可能的宜居星球。譬如土星的卫星——土卫二，它冰封的表面以下有液态的海洋，海洋含水量是我们地球的两倍，热液的活动可能会产生我们关注的有机物和生命。另外譬如土卫六，它的表面有一些甲烷湖泊。
▲左：米勒星球
中：曼恩星球
右：埃德蒙斯星球
所以，这些星球都是我们未来探索生命的可能环境。那除了太阳系以外，还有没有其他的星球可能也适合生命存在呢？大家非常熟悉的一部电影《星际穿越》里，科学家借助星际旅行寻找宜居行星。为了避免和改变地球将来非常恶劣的环境，他们来到了米勒星球和曼恩星球，结果一个星球巨浪滔天，另外一个星球表面是冰封的世界。不过他们最终找到适合人类未来宜居的埃德蒙斯星球。
究竟什么样的行星对于我们来说才是宜居的呢？我们用一个地球相似指数来描述。
假如一颗行星接收到恒星的辐射和地球相当，它们的大小和地球也相当，譬如在这张图中央那些蓝色点，就是和地球最相似的星球，也就是地球相似指数最高。
除了温度适宜、大小适宜以外，另外非常重要的是这个星球上面有没有水，也就是说，这个星球是不是处在恒星的宜居带。在太阳系里，地球刚好是在金星和火星的轨道之间，表面有70%以上的海洋以供生命的生存。
如何寻找系外宜居行星？
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在回答如何去寻找宜居行星之前，首先要回答的问题是如何寻找系外行星。
在2019年，两位天文学家因为在1995年发现了第一颗围绕类似于太阳这样恒星运动的系外行星而获得了诺贝尔物理学奖。这颗系外行星是一颗热木星，是借助于视向速度方法发现的。
▲视向速度法
简单地给大家介绍一下什么叫视向速度方法。如果一颗行星绕着一颗恒星运动的时候，恒星受到行星的引力作用，它在我们视线方向上会体现一个周期性的变化。大家都知道多普勒效应，生活中，当汽车经过的时候，它的声音会加尖或者是变低，那么对于恒星的运动来讲也是类似的，这种周期的靠近或远离在恒星的光谱上就体现为非常微小的蓝移或者是红移。如果我们能够测出这个微小的变化，就可以测出那些看不到的行星的存在。
▲凌星法
另一个大家非常熟悉的是金星凌日的现象，对于系外行星也是类似的。当这个行星的轨道平面在我们视线方向的时候，它运动到地球和恒星之间，经过恒星表面，就会引起恒星光度的下降，有点类似于一个巨大的灯泡周围有一个小蚊子会遮挡灯泡的亮度。如果我们能够测量出这种微小的光度变化，就可以测量出行星的半径，进而了解行星的存在。
▲天体测量法
第三种也是大家非常熟悉的现象。当两个天体互相绕转的时候，由于引力的作用，恒星会绕着它们公共质心运动，在位置上会体现出微小的变化。就像两个人在一起溜冰，会有一个互相的摆动。如果我们能测量出这种微小的摆动，也可以了解看不见的行星的存在。
▲直接成像法
这三种方法均是间接的方法，或通过引力的作用，或通过测量光度的变化。那么，我们是不是可以直接发现系外行星？答案是肯定的，如果我们能够遮挡恒星的星光，直接测量出行星的反射光或者是直接发射的非常微弱的星光就可以，这个叫直接成像法。
我们把刚才讲到的几种方法做一个比较。视向速度法非常依赖于地面上那些巨大的望远镜，但它容易受到恒星活动的影响，且无法获得行星的真实质量；凌星法要求行星的轨道要在观测者的视线方向，这种情况的概率是比较低的，同时还需要有地面的望远镜对凌星的现象进行证认；而天体测量法就不太容易受到恒星活动的影响，它能直接测量出行星的质量和三维轨道。
刚才讲到，2019年两位天文学家因为发现了第一颗系外行星获得了诺贝尔奖，在他们之后有一个由1到N的过程。到今天为止（2023年9月）人类已经发现了5500多颗系外行星。如果我们以太阳系的行星作为类比，可以看到它们有一些是靠恒星很近的热木星，或者是比较远比较冷的木星，抑或者是温暖的海王星；又或者质量是在2-10倍地球质量的超级地球。
当然，这里面最重要的一类就是我们关心的类地行星。大家可以从图上红色的框里看到，在一个天文单位里，1个地球质量的行星到目前为止还没有被发现。所以未来要做的从0到1的事情，就是如何去探测那些类日恒星周围宜居带的类地行星。
用我们原创技术路线发现地球2.0
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过去像开普勒（Kepler）和苔丝（TESS）这些任务，主要采用凌星法围绕红矮星周围的类地行星进行探测。
▲宜居行星探测任务路线图
接下来要讲的，是由中国科学院以及很多高校的同事们我们一起推动的近邻宜居行星巡天计划（http://www.ps.pmo.cas.cn/CHES）。这个计划主要是围绕着类日的近邻恒星进行探索。一旦我们探索到这些类地行星以后，就可以借助于未来地面上的巨型望远镜，包括太空中的这些望远镜，进一步刻画这些行星的大气，了解它里面有没有水、氧气，以此回答它是不是宜居的。
▲近邻宜居行星巡天计划
这个计划主要借助于天体测量的手段，先发射一个口径1.2米的空间望远镜到太阳与地球的第二拉格朗日点，也就是距离我们地球150万公里的地方，对准太阳系周围32光年100颗类似于太阳的恒星，进行全面的系外行星普查，也包括行星的轨道、质量等，来发现这些系统里面有没有地球2.0。
这个任务的特色在于它是具有中国原创性的技术路线。我们要去测量这些目标恒星和参考星之间非常微弱的相对位置的变化，这种行星引起的恒星绕着质心的晃动是非常微小的。
▲探测对象：近邻宜居行星
接下来解释一下，为什么我们需要聚焦在太阳系近邻32光年左右去寻找这些宜居行星呢？其实，在太阳系几十个或者100个光年以内，目前发现的这些近邻的行星数目是非常少的，90%以上的恒星并没有发现。但刚才的视频也展示了在行星的形成过程中，每一颗恒星至少都可以诞生一颗行星。所以从观测上来讲，近邻行星的探测是缺失、不完备的。如果我们发现了这些行星，它就更容易被地面上或者是空间的望远镜做进一步的观察，甚至捕捉它的大气。也许在未来，我们的科技发达了以后，人类可以更容易地抵达这些近邻行星。
▲近邻类日恒星周围宜居行星为0
我再解释一下为什么要关注于那些类日恒星。目前已经发现的宜居类地行星大概有63颗，其中73%都在红矮星周围。红矮星的温度比较低，意味着这些行星靠恒星非常近，这就容易引起潮汐锁定的现象，导致它的公转周期和自转周期相同。大家可以想像一下，就像月球受到地球潮汐的影响，它的自转和公转近乎相同，会导致这个行星温度相差很大，并不宜居。
另外，这些红矮星周围的辐射非常剧烈，所以会对这些行星的宜居性或者是生命的生存造成很大的影响。因此我们特别关注类似太阳的恒星周围宜居带的探索，而在这些目标周围目前还没有发现宜居行星。要想找到这样的类地行星，需要借助一个高精度的天体测量方法，达到微角秒的精度。
什么叫做微角秒呢？微角秒相当于我们在地球上看清楚月球上一个一元大小硬币的边缘。天体测量方法的好处就是在于我们可以解析出行星的质量，包括行星的轨道等，这些参数对了解一颗行星到底是不是宜居、是不是地球2.0非常重要。
▲突破微角秒级星间距测量技术
我们的团队包括来自于国家空间中心和光电技术研究所的同事，他们在实验室以及望远镜原型样机上已经做了很多的实验，突破了微角秒测量的技术。所以我们已经具备了对于太阳系近邻宜居行星探索的能力。
相比凌星法要从大量的恒星样本里观察它们光度的变化，而开普勒、苔丝这样的任务还没有发现类日恒星周围的宜居行星。我们这种高精度的相对天体测量方法，即使仅仅是观测100颗近邻恒星，但是因为探测的效率和能力都更高，预计可以发现至少20颗类地行星。
一旦我们发现了类地行星后，就可以借助地面这些30米级的望远镜，以及像韦布空间望远镜和宜居世界天文台，开展对这些真正地球2.0进一步的大气刻画与表征。
▲詹姆斯·韦布望远镜观测行星大气：K2-18b
给大家举个例子，这是韦布望远镜对一颗海王星质量的、也就是大概8倍地球质量的行星的探测，发现这颗行星大气里面有甲烷、二氧化碳。这给我们带来了很大的信心。
我们希望最终能够探索地外文明，并跟地外文明建立一定的联系。这是非常著名的德雷克方程，它表明我们探索地外文明的概率，依赖于宇宙中有多少星系、星系有多少颗恒星、恒星周围能够诞生多少颗行星，以及这些行星有多少是宜居的，未来它有多大的可能发展高等文明并发射无线电信号并被人类所接收。
▲“暗淡蓝点”——旅行者一号回望地球
尽管我们一直在探索另外一个地球，但是到目前为止，我们的地球仍是唯一的，所以我们应该更好地保护这个“暗淡蓝点”，保护我们的家园。
谢谢大家！
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