我国启动“地球2.0”计划!深空探测进入新纪元,到底有多牛?

天文探测的一个重要领域 , 就是在太阳系之外寻找与地球环境相类似的行星 , 在拓展和丰富宇宙天体演化认知的同时 , 通过研究“超级地球”的变化情况来倒推地球早期的演化历程 , 并探索生命如何从低级到高级的进化过程 。 如果从长远来看 , 也能够为未来人类开展星际移民奠定坚实的基础 。
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什么是“地球2.0”?
几十年来 , 世界各国都利用各种手段来积极探寻符合条件的系外行星 。 截至目前 , 科学家们已经在太阳系之外、银河系之内发现了5000多颗系外行星 , 其中绝大多数都是由美国NASA研制的开普勒太空望远镜发现的 。
该望远镜于2009年发射升空 , 主要针对天鹅座和天琴座的近10万个恒星系开展探测 , 从而大范围地寻找类地行星以及生命存在的证据 。 从发射到2018年因燃料耗尽“退役” , 所发现的5000多颗系外行星中 , 没有一个符合“地球2.0”的标准 。
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从字面上理解 , 人类所要搜寻的“地球2.0” , 必须与我们所居住的地球非常相似 。 那么 , 要达到这个目标 , 一方面 , 目标行星所在的恒星系中 , 其恒星要与太阳高度相似 , 另一方面 , 目标行星也要与地球高度相似 。 而从天文探索的角度而言 , 这两个高度相似条件下的“地球2.0” , 必须要满足一定的参数标准 , 那就是处于该恒星系的宜居带内 , 同时行星的半径必须介于0.8-1.25倍的地球半径范围之内 。
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我国启动“地球2.0”计划!深空探测进入新纪元,到底有多牛?】虽然开普勒太空望远镜观测的恒星系统数量很多 , 但是要在遥远的恒星系统中 , 观测到行星的存在 , 难度本来就非常大 , 如果再加上以上的标准 , 那么以现有技术水平 , 则显得更为苛刻 。 受限于观测水平以及对行星标准的苛刻条件 , 已经发现的5000多颗系外行星中 , 并没有完全符合条件的“候选者” 。
中国“地球2.0”计划
其实 , 在美国利用开普勒太空望远镜进行系外行星探测的同时 , 我国科学家们也在有序开展相关的观测研究工作 , 比较有代表性的是中国科学院上海天文台的研究团队 , 他们在利用天文望远间进行观测的过程中 , 逐步摸索出应用光学干涉光谱仪开展多目标巡天的方案 , 在此基础上发现了超级地球”瓦肯星等若干系外行星 。
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我国的研究团队 , 对美国开普勒太空望远镜之所以没有发现“地球2.0”的原因 , 进行了深入剖析 , 认为其中的主要原因 , 就是望远镜的背景噪声太高 , 望远镜的视场也比较小 , 既看不深也看不清宇宙深空的系外行星 。
在找到瓶颈问题之后 , 我国科学家将着力点放在做到天文望远镜的视场上 , 研究提出“地球2.0凌星巡天卫星”计划 。 该计划的核心内容 , 是在巡天卫星上 , 搭载6台自主研制的500平方度广角凌星望远镜以及1台自主研制的4平方度的微引力透镜望远镜 。
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这6台广角望远镜的巡查区域为天鹅座和天琴座 , 与开普勒望远镜曾经探索的天空一致 , 但视场要比开普勒望远镜宽5倍左右 , 将会使探测这一区域120万颗恒星系统变得比较轻松 。 与此同时 , 与NASA凌日系外行星调查卫星(TESS)相比 , 中国的“地球2.0”卫星将能够观测到更暗、更远的恒星 。
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根据项目实施计划 , 今年 , 研究团队将能全部完成技术攻关和实验室验证操作 , 从明年开始将能启动卫星的建造 , 预计2026年前后就能够发射升空 , 届时在太阳-地球系统的拉格朗日L2点处 , 我国的“地球2.0”卫星将开足马力投入工作 。
“凌日”和“引力透镜”完美结合
我国“地球2.0”探测卫星中的6台巡天望远镜 , 主要通过探测恒星亮度的微小变化来寻找系外行星 , 也就是行星“凌日法” 。 当行星经过主恒星与观测点之间的区域时 , 主恒星的亮度会有周期性的降低现象 , 通过望远镜观察主恒星亮度的变化 , 同时再匹配一些其他观测方法和计算模型 , 就能够推测出系外行星的大小、质量、密度等基本信息 。
由于比开普勒望远镜的视场大5倍 , 因此不能采用传统的光学设计方案 , 而改用6个30厘米口径、500平方度的望远镜 , 来共同观测一个目标 , 这样就实现了数据叠加的功能 , 既满足了超宽视场的需要 , 同时又实现了观测深度的需求 , 能够看到更多、更远的恒星和行星 。 从综合性能看 , 我国的“地球2.0”卫星的天空测量能力 , 要比美国的开普勒望远镜强10到15倍 。