用原創性技術路線探尋“下一個地球”

CHES計劃將發射1個搭載1.2米口徑高精度空間天體測量望遠鏡的衛星——CHES衛星，通過空間微角秒級別的高精度天體測量方法，探測距太陽系約32光年的近鄰類日恒星宜居帶，并從中尋找“下一個地球”。

聚焦天文領域未解之謎

自1995年發現首顆系外行星起，人類迄今已發現6000余顆系外行星。“2000年以來, 國際上已啟動并實施了多個項目，進行系外行星的空間探測。然而，目前尚未發現類日恒星周圍宜居帶內的類地行星。”中國科學院紫金山天文臺行星科學與深空探測實驗室主任、首席研究員季江徽告訴記者。

10月15日，中國科學院、國家航天局及中國載人航天工程辦公室聯合發布《國家空間科學中長期發展規劃（2024—2050年）》，提出我國空間科學發展“三步走”戰略目標。該規劃將“宜居行星”主題列為我國有望取得突破的五大科學主題之一，并提出“探索太陽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，宜居帶是恒星周圍適宜生命存在的區域。在宜居帶內，行星表面平均溫度能維持液態水的穩定存在，同時恒星輻射與活動性不能太強，以免破壞行星大氣。在太陽系，地球的軌道位于金星與火星之間，恰好處于太陽系宜居帶。“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的主要目標。這些行星有望成為理想的人類第二家園，即‘下一個地球’。”他說。

季江徽介紹，目前，距離太陽系32光年以內發現的行星數僅占系外行星總數的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行，這樣的條件對生命的存活不利。因此，“‘下一個地球’究竟在哪里”，仍是天文學上的未解之謎。尤其令人困擾的是，在距離太陽系32光年以內的類日恒星中，約90%的恒星周圍尚未探測到行星存在。作為國際上首個直接探測近鄰類日恒星宜居帶類地行星的空間任務，CHES計劃有望解答“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”等重大科學問題。

突破天體測量關鍵技術

季江徽及團隊長期開展系外行星探測以及地外生命探尋等研究，他介紹，CHES計劃將采用原創性技術路線，利用基于空間微角秒級別的高精度天體測量和定位技術，普查太陽系近鄰約100顆類日恒星, 并從中探測宜居帶類地行星或“超級地球”。同時，該計劃還將詳細普查宜居行星的數目、真實質量和三維軌道等信息。

“CHES計劃采用的原創性技術路線，具體將由微像素星間距測量、低畸變大視場望遠鏡光學系統和高穩定度姿控、高精度熱控等技術來實現。”中國科學院國家空間科學中心副研究員李海濤說，微像素星間距測量技術將通過外插式激光干涉手段對探測器的像素特性進行標定，實現約10-5像素級別的星間距測量精度；低畸變大視場望遠鏡光學系統技術主要包括反射鏡的研磨、鏡頭的微應力固定、系統結構穩定性設計、系統輕量化、系統裝配及檢測等具體技術；高穩定度姿控、高精度熱控技術則可以使CHES衛星平臺性能更穩定。

近年來，紫金山天文臺聯合中國科學院國家空間科學中心、光電技術研究所和微小衛星創新研究院，充分發揮中國科學院體制化建制化優勢，已在上述關鍵技術領域取得重大突破。季江徽說，通過采用原創性探測方法，CHES計劃希望填補近鄰類日恒星宜居帶類地行星探測的空白。

開展目標恒星仿真觀測

針對CHES衛星發射后在日地拉格朗日L2點的運行情況，團隊已開展目標恒星的仿真觀測研究。為確保探測任務能有效捕捉到類日恒星宜居帶內類地行星的信號，科研團隊為每個目標恒星制定了詳盡觀測策略與優化方案，并對各目標恒星在探測任務周期內的觀測時刻作了科學規劃。

“團隊綜合考慮了載荷觀測效率、衛星姿態穩定性及熱控精度的高要求，選擇在日地拉格朗日L2點的暈軌道上運行5年。”季江徽介紹，1.2米口徑高精度空間天體測量望遠鏡設有主要觀測和重復觀測兩種模式。主要觀測模式將在垂直于黃道面的方向上依次進行循環觀測，觀測方向將在垂直于太陽和L2點連線的平面上繞連線旋轉，承擔大部分觀測任務。重復觀測模式則用于補足觀測次數要求較多或分布密集的恒星，觀測方向會根據需要進行調整。

在主要觀測模式下，望遠鏡的觀測范圍將隨著地球繞太陽的公轉而變化。為避免陽光直射對觀測的影響，當觀測方向與太陽方向的夾角小于60度時，將不再重復觀測。因此，每年每顆目標恒星的可觀測時間約占全年的2/3。

季江徽介紹，在5年的任務周期內，望遠鏡的觀測區域每年均將有所調整，從而確保目標恒星在每年觀測的時刻不同，以便充分觀測視差及行星軌道，進而提高對宜居帶類地行星信號的探測能力。

研究人員還模擬了目標恒星HD 88230周圍宜居帶存在一顆類地行星的情形，并進行了仿真觀測與數據擬合。結果驗證了該觀測策略能探測到信號。研究人員還成功反演出其軌道參數。

季江徽說，在5年的任務周期內，CHES衛星將累計有29220小時可用于科學觀測，其中25120小時專用于CHES計劃的近鄰系外宜居行星探測，占總觀測時間的86%；其余4100小時則用于拓展科學目標的研究，例如X射線雙星與恒星級黑洞的質量測量等，這將有助于深入理解黑洞的形成及其他前沿科學問題。

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