中国科学家提出#寻找地球#2.0计划:拟探测距地球32光年的100个#恒星#

◎ 科技日报记者 金凤

宇宙中是否有其他生命的存在,又是否有适合人类居住的第二家园,千百年来,吸引科学家们将探索的目光投向宇宙更深处。

近日,记者从中国科学院紫金山天文台获悉,中国科学家们提出一项“近邻宜居行星巡天计划”(以下简称“CHES”),计划发射一个1.2 米口径的高精度天体测量空间望远镜,在日地拉格朗日L2点常规运行至少5年时间,拟探测距离地球约32光年的100个类太阳型恒星,期望发现首颗太阳系外宜居带“地球2.0”。这将是国际上首次专门在近邻类太阳型恒星周围寻找宜居类地行星的空间探测任务。

“就宇宙演化而言,我们无法预知地球环境在50-100年后会发生什么。我们试图探寻,宇宙中特别是太阳系近邻恒星周围是否存在其他宜居行星,进而探索这些行星上是否存在生命或高等文明。”中国科学院紫金山天文台研究员、“近邻宜居行星巡天计划”项目负责人季江徽告诉科技日报记者,科学家们希望通过执行这项计划,为寻找“地球2.0”带去一双慧眼。

将寻找与地球质量相当,处于宜居带的近邻行星

人类自1995年发现第一颗太阳系外的类木行星以来,已经发现并确认了5000多颗系外行星。这些行星大小不一、形态各异,涉及热木星、亚海王星、岩石行星、超级地球等类型。

2007年发现的Gliese 581c被认为是人类发现的第一颗在宜居带的类地行星。2016年,天文学家在距离地球最近的恒星——比邻星周围又发现了一颗位于宜居带的类地行星比邻星b,其最小质量为1.3个地球质量,公转周期仅为11.2天。

“太阳系内的宜居带在火星与金星之间,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”。

在“宜居带”内, 行星表面平均温度能够维持液态水稳定存在,因此可能拥有与地球类似的生命存在的条件。同时,这里的恒星辐射和活动性不会太强, 以免行星大气中的水分子、二氧化碳分子发生电离, 甚至剥离行星大气。

“目前发现的太阳系外宜居带类地行星约50颗,但它们的质量大部分是地球的几倍至十倍,相当于一个个‘超级地球’,它们绝大多数距离地球遥远,达上千光年。而且在发现的行星中,很多位于红矮星周围,红矮星表面温度低于3500开尔文,而且空间环境恶劣,会有强烈的耀斑,所以我们更关注距离地球约32光年类似太阳这样的恒星周围,有没有宜居带的‘地球2.0’。”季江徽说,CHES计划要找的“地球2.0”或者说“孪生地球”,就是和地球质量相当,轨道处于宜居带,大气或者表面可能有液态水来维持生命存在的行星。

“近邻宜居行星巡天计划”构想图。
“即使人类现在没有能力达到这些类地行星,也并不影响我们思考人类在宇宙中将何去何从,去发现是否还有与地球一样的行星。”季江徽表示。

能勾画系外行星轮廓的凌星法,难以给行星“称重”

在浩瀚的星空,地球是否是仅有的一颗有生命存在的孤独星球,吸引着各国科学家不遗余力地进行深空探测。他们在太空和地球,部署一个个“行星猎手”捕捉行星踪迹。

在太空中,美国的“开普勒”空间望远镜和“苔丝”卫星接棒探测系外行星,迄今共发现了3400多颗。

在地面,西班牙-德国的CARMENES项目,利用西班牙南部的3.5米口径望远镜,结合近红外观测与光学阶梯光栅光谱仪搜寻红矮星周围的类地行星;加拿大-法国-夏威夷望远镜开发的新型光谱偏振仪“SPIRou”和美国麦克唐纳天文台的“宜居带行星探测仪”则通过视向速度法在近红外波段寻找红矮星周围的宜居行星。

季江徽介绍,目前系外行星探测方法有凌星法、视向速度测量法、天体测量法、直接成像法、微引力透镜法等。其中大部分系外行星是通过视向速度测量法和凌星法发现的。

“近邻宜居行星巡天计划”构想图。
“在宇宙中大约73%的恒星为红矮星,由于红矮星有效温度低、宜居带距离主星近,质量和体积小,因此红矮星周围的行星易于被凌星法和视向速度法探测到。”季江徽解释,“凌星”指的是当行星从恒星前方经过时,会遮挡恒星发出的光,所以通过恒星亮度的周期性变暗可以追踪系外行星的凌星事件,这就好比金星凌日,金星从太阳表面缓慢移动时,把太阳的极小一部分挡住,太阳看上去就变暗了。凌星观测可以根据恒星光度的周期性变化,来推测系外行星的大小和轨道周期。但季江徽并不讳言,凌星法虽有效,但探测效率受限。

“首先,想看到凌星现象,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,几乎在观测者的视线方向;但行星的轨道是随机分布的,所以有的空间望远镜探测到的凌星的发生概率只有千分之五。其次,恒星光度减弱变暗,有可能是由于恒星的黑子或恒星活动等引起的,因此凌星法还需要地面其他探测方法证认。所以即便目前‘苔丝’观测到近4000个行星候选体,但能证认的只有200多颗行星。第三,凌星法仅能测出行星的半径,无法直接给出行星的质量,而行星质量是刻画地球2.0的关键参数。”季江徽说。

创新探测方法,CHES探测精度将达微角秒级

与苔丝等卫星采用凌星探测方法不同,CHES计划将采用空间微角秒级别的高精度天体测量法,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,这一细微的变化反映了目标恒星因其绕转行星的引力扰动而引起的非常微小的摆动。

“通俗地说,如果一颗恒星周围存在行星,行星会使恒星产生一个小幅度的周期性摆动。排除恒星自身运动后,恒星摆动幅度越小,说明其周围行星的质量越小,反之亦然。通过观测恒星位置的微小变化,就能发现恒星周围是否存在宜居行星,并算出它们的真实质量和轨道参数。”季江徽说。

在浩瀚宇宙中探测“地球2.0”,需要一双明察秋毫的眼睛。季江徽表示,CHES的科学载荷是一台口径为1.2米、焦距为36米的高像质、低畸变、高稳定光学望远镜,可实现全视场近衍射极限成像。

系外行星艺术构想图。
根据计划,CHES空间望远镜将被送入日地系统第二拉格朗日点的Halo轨道,并在该轨道维持至少5年的稳定运行时间,期间将对100颗类太阳型恒星进行科学探测,其中每颗恒星观测不少于50次,预计发现约50颗类地行星。

CHES的探测精度将达到前所未有的微角秒级,季江徽打了个比方,“这相当于在地球上看向月球,分辨出放在月球上的一元硬币的边缘。”他说,CHES团队经过多年的努力,在微像素星间距测量等关键技术上取得了突破,可以满足宜居行星的探测精度要求。如果CHES得到立项,将是国际上首次利用高精度天体测量法专门寻找宜居行星的空间探测任务。

季江徽表示,这一任务除了探测宜居行星外,对于暗物质、黑洞等前沿科学研究也会作出相应的贡献。

如果CHES能成功 “捕捉”到这些类地行星的轨迹,如何判断它们会不会成为宜居的“天选之子”?季江徽解释,“除了判断行星的质量、是否宜居,还要看它们是否有水、氧气,看看这些行星与已经发现的行星有何差异等。”此外,生命的稳定存在还有许多其他条件,如以供生命产生的足够长的恒星和行星寿命,适宜的恒星光度、稳定的近圆行星轨道和自转倾斜度、合适的行星大气和行星磁场等。

距离地球32光年的宜居带类地行星,人类又如何能够抵达?季江徽畅想,“这首先需要星际航行能力的加持,例如飞行速度可能需要达到亚光速,此外也需要了解这些行星的分布情况,这需要对距离地球32光年的类太阳型恒星,进行全面‘星际普查’,为人类的未来发展拓展空间。”

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春生夏长秋收冬藏,中国人的四季

春生夏长秋收冬藏,四时迭起,万物循生。

中国古人根据对自然物候的朴素观察,形成了自己独特的历法和二十四节气。

由此,我们看到的日月才不仅仅是纯自然的日月,我们体验到的四季才是更有内涵的四季,我们感受到的天地才是有灵性的天地。

四 季 之 义 大 矣

“云行雨施,品物流形”,正因为古人细心地观察到了“云行而雨下,于是万物在变化中成形”这种自然现象,人们才能进一步用心地将天地之间的自然现象,迁移至人类社会生活之中,达致一种仰观于天文、俯察于地理、中观乎人文的超级境界。

“行云下雨”是天地的因,“万物因此而发生变化并塑成自己的外貌”是天地之因在生物界和人类界结成的果;

没有人类对天文、地理和四季的体验、感悟、观察和模仿,人类就无法清楚地认识天地、认识自己。

《周易·彖》说:“刚中而柔外。”对天地来说,这句话是说天道内刚外健,而地道则内阴外柔;没有内在的强大刚健,哪有天道外在的自强不息、运行不已;

没有内在的阴顺宽厚,又哪有地道外在的柔美和谐、滋养万物。

对四季来说,这句话是说四季有刚有柔、刚柔间错;春季和顺宽展、万物复苏,夏季则火烈暑酷、困苦难耐,秋季回归天高云淡、宜人醇厚,冬季再轮为冰雪严寒、人境艰难。

对人类来说,这句话是说一个人要内心刚强而言行和蔼,或内心强大而外表温和,或内心坚固而外表不争,或言语柔和而行为果决。

四季范畴中的天德之美和地德之美,总是受到古人的推崇的。

所谓天德,就是天的德行,就是天的特质,就是天为万物和人类的生存、生长做出的决定性的贡献。

所谓地德,就是地的德行,就是地的特质,就是地为万物和人类的生存、生长做出的决定性的贡献。

没有太阳的供暖和行云施雨,就没有大地上的万物生长;没有大地的承载和滋养,万物也无所归依、无可生长。

但在中国古代文化氛围中,至为重要的,则是对天地、四季内美不彰品德的推崇。

老子说:“知者不言,言者不知。”这是告诉人们,智者是不会夸夸而谈的,夸夸而谈的人不是智者。

孔子说:“君子欲讷于言而敏于行。”这是告诉人们,君子要言语谨慎,行事敏捷。

《庄子·知北游》说:“天地有大美而不言,四时有明法而不议,万物有成理而不说。”

这是告诉人们,天地有大美好却不张扬,四季有确定的法则但不议论,万物有既定的规律但不说出来。

在中国古代的智者看来,一个人,能力再强,智慧再丰,地位再高,助人再多,贡献再大,也不可能超过四季和天地,既然对万物和人类做出那么大贡献的四季和天地都内美不彰,人类的一点小小成就,还值得自恋其中而夸耀不已吗?

四季有刚有柔、刚柔间错,这才叫“一阴一阳之谓道”。

春天来了,万物萌芽;夏天到了,万物度暑;秋天来了,万物成熟;冬天到了,储藏整备。

既然季节如此,人类做起事情,不也要时至而动,时尽而止吗?

如果春天来了,不去耕种,秋天到了,不去收获,那还有不失败的吗?

迁延至人生,也要时至而动,时尽而止;机会来了,要敏捷地抓取;时机不成熟,就不能勉强作为,而要厚积厚攒,待时而发。

四时迭起,万物循生。

人们从四季,以及太阳、月亮和天地关系中,总结出阴阳、刚柔的哲学理念,并精炼扩大,成为中国古代最重要的观念和法则。

在古人的眼光中,阴阳和刚柔,不仅仅是无所不在的,还是无所不包的;不仅仅是绝对的,而且是相对的;不仅仅是固定不变的,而且是物极必反、循环不已的。

冬天冷到了极致,就会转暖,夏天热到顶点,就要转凉;人生也是如此,顺到不能再顺时,就会反转,霉到不能再霉时,就要反弹。

《周易·系辞上》说:“原始反终,故知死生之说。”

这是告诉人们,事物都是从起点开始又返回作为终点的起点,这才是死与生的道理。

因此,事物过顺,就要警惕它向不顺反转;而事物不顺,就要努力,以进取和积累迎接反转的到来。

《庄子·则阳》说:“阴阳相照,相盖相治;四时相代,相生相杀。”

这是告诉人们,阴阳相互映照,相互包纳相互呵护;四季轮岗,相互促生你衰我盛。顺境不是永远,困境也不是终点,它们都只是过程的一部分,只有努力和追索才是永恒的。

正是有了古代的智者对日月、天地、阴阳的观察、思考、总结、归纳和提炼,我们看到的日月才不仅仅是纯自然的日月,我们体验到的四季才是更有内涵的四季,我们感受到的天地才是有灵性的天地。

孔子说“逝者如斯夫,不舍昼夜”,这逝去的已经不只是汛期泗水这个泄洪道里的浊水了,而是复加了时间、空间、喟叹、社会、人生、期待、责怨等等的情感之水了。

孔子期待的能跟弟子们一道享受的“暮春三月,春天的衣服已经穿上身,五六个成年人,六七个小孩子,在沂水里洗洗澡,在舞雩台上吹吹风,一路唱着歌走回家”的天然境界,也已经不仅仅只是春天、游水、儿童、拉风、飙歌和新衣服等等关键词了,而成为对一种理想社会生活的渴求和描述。

老子说:“上善若水,水善利万物而不争,处众人之所恶,故几于道。”

在老子眼里,最高等级的善或最高等级的善人就像水那样,水滋利万物而不与之争夺,位处大家都不愿意待的低洼地,因此水的品质已经十分接近于宇宙的最高规则了。

在老子的视野里,这水已经不是自然之水,不是地表之水,不是理化成分的水,不是喝了只能解渴的水,而是哲学之水、文学之水、情感之水、观念之水和养心之水。

《庄子》在天地四季中追求的是一种仙童般的悠然和凝静,是一种“入无穷之门,以游无极之野”的超然境界;

在庄子的视野中,游世于天地四季之间是人生的实境,游心于天地四季之外才是人生的至境;守神凝静,形体自会康顺;安顿好自己的内心,精神自会生长。

也正因为古代的智者为我们挖掘了如此丰富的天地、四季的大内涵,我们在体验四季、感受天地的过程中,才不再显得那么浅薄、粗心而浮躁。

我们挎着竹篮走进原野时,我们不仅仅是走进了原野,而是正在走进农耕文化的腹地;

我们看见刮风下雨时,我们知道那并非只是在刮风下雨,那也是阴阳交合、刚柔互转;

我们捡拾一片地皮时,我们不只是在捡拾一种野味,我们也会感叹大地对万物的滋润和养育;

我们挖起一棵荠菜时,我们知道我们并非只是在挖起一棵野菜,我们会想起为了食品安全而以身试毒的先人;

我们在开花的蒲公英附近休息时,我们会想起不竭泽而渔的道理;

我们走在无人而沉寂的原野里时,我们则将懂得何为心静如水、顺天而应时。


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