当“太阳危机”即将来袭，人们不得不“带着地球去流浪”——电影《流浪地球2》的想象也带给我们一个疑问：在遥远的宇宙深处，我们可以寻找到“第二家园”，让地球不需“流浪”吗？事实上，一群科学家和工程人员已经开始着手“地球2.0”计划，他们将对银河系类地行星进行“普查”，寻找下一个人类家园。
“近邻宜居行星巡天计划”这项由我国科学家提出的计划，将发射一个1.2米口径的高精度天体测量空间望远镜，可实现微角秒级星间距的测量精度，在第二拉格朗日点的Halo轨道维持至少5年时间，巡查太阳系近邻（32光年外）的100个类太阳恒星。
来自中国科学院上海天文台、微小卫星创新研究院、上海技术物理研究所、西安光学精密机械研究所、中国科学技术大学以及国内外80多个大学和研究所的400多位科研人员，正开展“地球2.0”的卫星和载荷的设计和仿真研究以及关键技术攻关。
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中科院上海天文台讲席教授葛健是“地球2.0”项目负责人。在他看来，项目的核心目标，是发现位于不同轨道上的大量类地行星样本，包括发现第二个“地球”——处于类太阳恒星的宜居带内、地球大小（0.8至1.25地球半径）的行星。
“寻找‘地球2.0’不只是为了能有新的‘避难所’，更是满足人类的好奇心，找到‘地球2.0’，确定上面有生命，甚至有智慧生命，就能最终回答‘我们是否是宇宙中唯一智慧生命’的人类基本问题。”葛健说，同时在银河中发现处于不同演化阶段的“地球2.0”，也可以帮助我们了解地球的过去和未来、形成和演化。
在茫茫银河系中，寻找另一个地球，犹如“大海捞针”。它需要空间超高精度测光的凌星技术，地面超高精度的视向速度测量技术，地面或空间大型望远镜的光谱仪技术以及空间高分辨率、高对比度成像技术相结合。在葛健的描述中，这一动作被分解为四步：定位“候选者”-分析成分-拍个高清照-长期观测。
近20年来，系外行星研究极速发展和关键技术逐渐成熟，已经将人类推到了发现“第二个地球”的关键路口。尤其是“凌星法”和“微引力透镜法”观测，对小质量行星探测具有高度敏感性。
“地球2.0”项目将首次结合这两种先进的观测方法，自主研制6台30cm口径、500平方度广角凌星望远镜和1台35cm口径、4平方度的微引力透镜望远镜，通过搭载在科学卫星上，发射到日-地拉格朗日L2点处，利用超大视场和超高精度的光学测光，对银河系内类地行星进行大规模普查。
“我们会开始星际航行，向这些有生命的地球2.0上送去探针，对她们开展仔细的研究。如果有高等智慧生命，可能会试图和她们对话、取得联系等。”葛健说，人类走出地球是必然的一步，关键要看能走多远。
创新测量突破科学难题
目前，大部分系外行星是通过视向速度测量法和凌星法发现的。“当行星轨道倾角接近90°时，行星从恒星前方经过瞬间就会遮挡恒星发出的光，该现象被称为‘凌星’，因此可以通过恒星亮度的周期性变化来追踪系外行星的凌星事件。”中国科学院紫金山天文台研究员、“近邻宜居行星巡天计划”项目负责人季江徽解释称，这就好比“金星凌日”现象，金星把太阳的极小一部分挡住，太阳看上去就暗了些。通过凌星法观测，科学家们可以获取系外行星的大小和轨道周期。
“但‘凌星法’也有局限。首先，它对行星的公转轨道有特殊要求，行星需要正好通过恒星朝向地球的方向，与观测者的视线方向平行，系外行星的探测概率降低；其次，恒星光度减弱变暗，还可能是恒星活动等因素造成的，因此需要地面其他探测方法进一步认证；此外，‘凌星法’探测无法直接给出该行星的质量，而行星质量是刻画‘地球2.0’的关键指标之一。”季江徽说。
本次计划，科学家将采用空间高精度相对天体测量技术，精确测量一颗目标恒星和6-8颗参考恒星之间的微角秒级别的星间距。在引力的作用下，当恒星周围有一颗行星时，这两个天体会互相绕转，行星就会使恒星产生小幅度摆动。“我们可以通过观测恒星位置的微小摆动，便可判定出恒星周围是否存在行星，并计算出该行星的质量和轨道参数。”季江徽说，这个具有原创性的方法，在探测近邻恒星的宜居带类地行星具有优势。
“天体测量法对于探测目标恒星周围行星轨道空间分布没有特殊要求，在任何情况下都能达到100%的探测效率。因此它可以实现对太阳系近邻恒星的系外行星进行全面普查。”季江徽阐释了采取这一方法的原因。
寻找近邻宜居行星
“太阳系内的‘宜居带’在金星与火星之间，地球正好身处其中。”季江徽介绍，天文学家将行星系统中适合生命存在的行星轨道范围称为“宜居带”，处在这一轨道范围的行星表面平均温度能维持液态水稳定存在，恒星辐射和活动性也不太强，以免行星大气中的水分子、二氧化碳分子发生光致电离，甚至剥离行星大气。
季江徽表示，判断“宜居带”行星是否适合生命存在，可寻找系外行星大气光谱中的“化学指纹”，也就是水、二氧化碳、甲烷、氧气（或臭氧）等重要化学成分的组合。
电影《流浪地球》里，人类的目的地是跟地球仅4.2光年的“比邻星”，而“近邻宜居行星巡天计划”将专门探测太阳系近邻（32光年）的类太阳型恒星周围的宜居行星。季江徽说，人类探测宜居系外行星的终极目标是寻找“地球2.0”，进而为寻找地外生命提供科学依据。
“星口普查”方兴未艾
“我们在宇宙中是否孤独？”亚里士多德提出的这道哲学命题，开启了人类对系外行星与地外文明的探索。2009年，美国国家航空航天局（NASA）设计用以发现类地行星的“开普勒”（Kepler）太空望远镜发射升空，成为人类探索系外行星的重要里程碑。此后，NASA于2018年发射凌日系外行星巡天卫星“苔丝”（TESS），“苔丝”要对至少20万颗恒星进行观察，目前已发现200多颗系外行星。欧空局将在2026年发射“柏拉图”（PLATO）太空任务，同“开普勒”和“苔丝”类似，将利用凌星法搜寻系外行星和测量恒星星震，期望发现超过数十颗宜居带类地行星。
如获得立项，“近邻宜居行星巡天计划”预计在2025年左右发射，有望发现约50颗宜居带行星（包括“地球2.0”）和“超级地球”。此外，2030年前后，中国将开展“觅音计划”，通过发射空间探测器以直接成像的手段发现和认证太阳系外宜居行星，并刻画其宜居性。
茫茫宇宙，系外行星离我们如此遥远，行星亮度又那么微弱，这些计划终将给“我们在宇宙中是否唯一”一个回答。
来源：新华社、科普时报
编辑：周俊皓
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