寻找“地球2.0”！卫星如何开启探索之路？

　　“十五五”期间，我国计划发射一颗系外地球(ET)巡天卫星，为人类寻找新家园——“地球2.0”。

　　那么，这颗卫星将飞到多远的地方?它准备依据哪些科学原理，采用哪些方法去寻找地球“2.0”?迄今，人类在寻找“地球2.0”领域已有哪些成果和发现呢?

　　寻找更多“流浪地球”

　　ET巡天卫星属于国家太空探源专项，将在不远的未来踏上征程，持续运行在日地拉格朗日L2点附近的晕轨道，又称Halo轨道。

　　它的核心搜索目标是“地球2.0”。不过，这里指的不是与地球一模一样的“同胞兄弟”，而是处于类似太阳的恒星宜居带内、与地球大小接近的岩石行星。

ET巡天卫星寻找“地球2.0”示意图

　　据媒体报道，为了精准“捕捉”目标信号，这颗卫星设计分为载荷舱与服务舱。其中，6台28厘米口径广角凌星望远镜和1台35厘米口径微引力透镜望远镜将统一安装在载荷舱，“联手搭建”空间天文台，配合其他探测器，有望实现超高精度观测。

　　按计划，在4年主任务期间，ET巡天卫星将持续监测超过200万颗晚型矮星，搜寻凌星信号，同时在夏季集中观测银河系核球方向的约3000万颗恒星，以便“捕获”探测微引力透镜事件。

　　据地面模拟研究显示，该任务有望首次探测到约17颗“系外地球”和约25颗“流浪地球”，还有可能发现超过4000颗类地行星及数万颗其他类型的系外行星，为人类探索外星球宜居环境提供关键数据。

　　ET卫星离我们有多远

　　ET巡天卫星计划部署于日地拉格朗日L2点附近的晕轨道。这条轨道潜藏着哪些奥秘呢?

　　我们先要弄明白：什么是拉格朗日点?简单地说，这指的是两个大天体的引力与小天体轨道运动所产生的力相互平衡的位置。在太阳和地球这两个大天体附近，有5个这种拉格朗日点。其中，日地拉格朗日L2点位于地球背向太阳一侧，距离地球约150万公里。在这个点附近，利用地球引力提供的额外“拉力”，航天器运行速度会巧妙调整，公转周期大致与地球相同，为期1年左右。

围绕日地拉格朗日L2点运行的轨道示意图

　　围绕日地拉格朗日L2点运行的轨道被称为L2轨道，具有航天器燃料消耗较少、观测条件稳定且覆盖范围广、通信效果较好等优势，因此非常受深空探测任务“青睐”。目前，美欧主导的詹姆斯·韦布空间望远镜就运行在L2轨道上。

　　那么，晕轨道又是什么样子呢?晕指的是光晕，主要形容这种轨道的总体形态。与低地球轨道等平面轨道不同，晕轨道是一种周期性较强的三维非平面轨道，航天器运行轨迹被称作“空间环形”，类似倾斜的甜甜圈。

　　晕轨道的概念起源于20世纪60年代末。当时，美国科研人员通过推导研究，初步探索了地月拉格朗日L2点附近的晕轨道，期望在“阿波罗计划”框架内部署地月空间中继卫星，以便支持月球背面航天器与地球持续通信，但并未实际应用。

晕轨道(Halo轨道)示意图

　　后续，晕轨道在理论研究和多次国际深空探测任务中展现了一系列优势。它能为探测器提供几乎无遮挡的主天体或深空观测视距，同时最大限度地减少地球大气或无线电辐射对探测器的干扰，特别适合支持观测太阳风、宇宙微波背景、暗能量与暗物质观测等任务，开展空间天文学研究。

　　两大绝招助一臂之力

　　ET巡天卫星关注的“地球2.0”需要具备两大特征：一是位于类似太阳的恒星宜居带内，气候条件支持存在液态水，毕竟这是碳基生命必不可少的生存前提;二是体格近似地球，半径约是地球的0.8～1.25倍。此外，理想的“地球2.0”最好拥有近似地球的大气层、适宜的气候和相对稳定的环境。

　　随着深空探测技术进步，科学家发现了越来越多的太阳系外行星，预计在银河系中存在大量类似地球的岩石行星，同样享受着“自家”恒星的光照与温暖。

　　想要锁定这类行星，当前国际主流的先进探测技术有两种。ET巡天卫星也正是基于这两种技术原理，准备开展观测。

　　第一种是凌星法。简单地说，行星经过恒星前方时，一般会造成光度变化，航天器通过测量变化幅度，有望比较精确地推算出行星的大小、轨道周期等。随着ET巡天卫星利用凌星法进行大范围巡天观测，特别是借助高精度测光技术，有望发现一些肉眼无法观测到的类地行星。

　　ET巡天卫星为了充分发挥凌星法的效能，实施针对性设计。它搭载的6台28厘米口径凌星望远镜将组成阵列，类似昆虫复眼那样协同凝视重点天区，持续监测超过200万颗类似太阳的恒星亮度变化。

凌星法是寻找系外行星的重要方法

　　有一种比喻的说法：想要发现一颗地球大小的行星，相当于测量出一盏巨型探照灯因一只蚊子飞过而产生的亮度波动。为此，ET巡天卫星采用了超低噪声的探测器，并将其冷却至零下40度，有望实现高达百万分之二十八的测光精度，“捕捉”转瞬即逝的“恒星眨眼”。

　　第二种是微引力透镜法。根据爱因斯坦提出的引力透镜效应，行星引力对“背景”恒星光线会产生弯曲效应，还会在光变曲线上留下独特的“印记”。航天器通过观测恒星光线“异常”，有望探测到小质量行星和“自由飘浮”的行星，扩展系外行星搜寻范围。与凌星法相比，微引力透镜法更有潜力突破观测限制，发现那些距离恒星更远、更寒冷、更暗淡的行星。

　　ET巡天卫星将配备1台35厘米口径微引力透镜望远镜，“捕捉”行星在恒星光变曲线上留下的“印记”，进而发现更多系外行星，包括神秘的“流浪行星”。

　　“地球2.0”希望无限

　　在可预见的时期内，人类登上系外行星建设新家园恐怕仍是遥远的梦想。既然如此，科学家们为什么还要执着地寻找“地球2.0”呢?或许，这一切源自人类对无垠宇宙、外星生命的好奇心以及探索未知的渴望。

　　人类寻找“地球2.0”，已经取得了一些成果。2014年，科学家公布了首颗发现的系外宜居带类地行星——开普勒-186f。它距离地球超过490光年，预计接收的恒星辐射能量是地球的三分之一，这意味着水资源大概率在开普勒-186f上处于冰冻状态。

　　第二年，科学家又公布了新的发现成果——开普勒-452b。这颗行星距离地球约1400光年，被戏称为“地球的表亲”。因为它位于恒星的宜居带内，无论是体格，还是接收到的恒星辐射，均与地球相似。不过，有观点认为，它有可能是大气活动剧烈的“迷你海王星”，或者是温室大气笼罩、表面火山喷发剧烈的“系外金星”，而人类对太阳系演化的研究就在这些争论中不断深入。

　　同样引人关注的还有2017年发现的红矮星TRAPPIST-1系统，距离地球约40光年。至少有7颗大小近似地球的行星围绕着这颗红矮星运行，其中多颗位于宜居带内。近年来，科学家使用詹姆斯·韦布空间望远镜，对类地行星TRAPPIST-1e进行凌星法观测，初步认为该行星的原始大气已被红矮星活动剥离，但可能存在后期形成的次级大气，从而为保存液态水创造条件。

　　不过，迄今发现的“地球2.0”候选者几乎都围绕着红矮星运行。红矮星比太阳小得多且更不稳定，其宜居带也更靠近红矮星。因此，在红矮星宜居带内运行的行星有可能被潮汐锁定，并受到强烈耀斑辐射影响。

行星LHS1140b想象图

　　例如，距离地球超过40光年外，有一颗类地行星LHS1140b，位于红矮星的宜居带内，直径约是地球的1.4～1.7倍，很可能具备大气层和深度惊人的海洋。这颗行星大概率被红矮星潮汐锁定，一面是冰冷的永恒黑夜，另一面则相对温暖，在昼夜交界处的“暮光带”或许有潜力孕育生命。

　　中国加速担当引领者

　　寻找“地球2.0”注定是一个漫长而充满挑战的过程。在持之以恒的目标牵引下，科研人员必将不断推动技术进步，越来越接近发现真正适合碳基生命的类地行星，为人类探秘宇宙未知、寻找外星生命提供更多线索。

　　在人类寻找“地球2.0”的“接力赛”中，中国不仅是积极参与者，更有志于成为收获关键突破性成就的引领者。

　　近年来，通过利用国内的天文望远镜设施，结合自主研发的新算法，中国科研团队取得了一系列重要成果。今年，云南天文台团队运用凌星中间时刻变化反演技术，在类似太阳的系外恒星宜居带内发现了一颗质量约为地球10倍的“超级地球”，命名为开普勒-725c。这颗行星远在2400多光年外，公转周期超过207天，具备保存液态水、孕育生命的可能性，更为探寻类地行星验证了新方法，展现了中国科研团队在系外行星数据分析领域的实力。

云南天文台团队积极创新发现“超级地球”

　　即将启程的ET巡天卫星则是中国在寻找“地球2.0”领域从“数据解读”迈向“自主探测”的关键一步。事实上，国家太空探源专项的诸多科学卫星计划被列入“十五五”期间重点项目，旨在通过自主研发的高端卫星平台，解决宇宙起源、生命起源等重大科学问题。ET巡天卫星作为该计划的核心任务之一，将推动我国科研人员在空间光学、精密测量、低温制冷等领域取得更多技术突破，承担更宏伟的宇宙探索使命。

　　来源/《中国航天报·飞天科普周刊》