恒星系中的宜居带示意图。

　　浩渺宇宙中，地球是人类迄今所知唯一拥有生命的行星。在银河系的千亿恒星中，有没有类似地球的行星也存在有生命？或者会不会有宜居的类地行星，可以成为人类在地球以外的第二个家园？进入21世纪，面对地球上人口爆炸、气候变化、资源耗竭等一系列生存挑战，伴随深空探测技术的发展，人类开始尝试大面积搜索宇宙中的类地行星。如今，中国科学家也将加入到搜寻队伍中。
　　在中国科学院战略先导项目“地球2.0”支持下，来自中科院上海天文台、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和中国科学技术大学的100多位科研人员，联手开展技术攻关，以期在四年后将望远镜送入太空，对银河系中的类地行星开展“普查”。
　　科学家预计，此次大范围搜索将能找到约5000个类地行星、约200个流浪行星（不围绕任何恒星转的行星），还有十几个“地球2.0”（适宜人类居住的类地行星）。

寻找“地球2.0”
人类已走到关键路口

　　行星是宇宙中最基本的天体之一，也是生命和文明的摇篮。宇宙中是否存在其他的智慧生命？是否存在另一个人类宜居的地球？对行星的探测及其形成演化的研究，承载着人类渴望揭开生命起源奥秘、寻求地外生命的强烈愿望。
　　近20年来，随着深空探测技术和系外行星研究的飞速发展，以及一系列相关关键技术逐步成熟，人类已经走到了发现“第二个地球”的关键路口。
　　“地球2.0”项目负责人、中国科学院上海天文台葛健教授介绍，人类要寻找的“地球2.0”得符合两个“相似”——恒星与太阳相似、行星与地球相似。因此，天文学家把行星半径为0.8-1.25个地球半径、处于恒星系宜居带的类地行星称为“地球2.0”。
　　其实，这样的条件非常苛刻。葛健解释，如果行星半径不足0.8个地球半径，那它很可能留不住行星表面的大气层，人类肯定无法长期居住；如果行星半径太大，那么过重的质量会导致其表面到处有火山喷发，同样无法具备产生生命的稳定环境。此外，这颗行星还得处于恒星系中不太冷也不太热的“宜居带”。
　　尽管条件严苛，但以宇宙之广袤，能够入围的行星也应该不少吧？根据一项理论研究，如果太阳系具有代表性（但遗憾的是，最新观测结果表明，太阳系的行星在银河中不具有代表性），那么在46亿年前太阳系诞生时，宇宙中只有约12%可能适合人类居住的行星产生，即使再过60亿年太阳寿命终结，这个诞生宜居行星的进程仍将继续。也就是说，宇宙中的类地行星还没有大量产生。
　　2006年，葛健主导的科研团队利用全新技术光学干涉光谱仪，在距离地球约100光年的地方，捕捉到了一颗围绕幼年恒星运转的系外行星“ET-1”，由此成为第一个发现系外行星的华人天文学家。2018年，他和团队经过130次以上的观测和后续数据合并分析，在《星际迷航》故事中斯波克家乡的波江座40A恒星周围，发现了一颗类似瓦肯星的行星，被称为“超级地球”。
　　2009年，美国国家航空航天局（NASA）发射开普勒太空望远镜，核心目标是发现类太阳恒星周围的宜居类地行星，这也是人类第一次对银河系行星种群进行普查。

开普勒的遗憾
给后来者留出探索空间

　　令人遗憾的是，开普勒望远镜升空仅四年，就发生了故障。天文学家对此感到无比惋惜，同时也开始酝酿新的银河系“普查”。2018年，NASA发射凌日系外行星勘测卫星（TESS），以接替开普勒。欧洲空间局紧随其后，于2019年成功发射CHEOPS望远镜。
　　2018年发现“超级地球”后，葛健就希望中国的科技力量能够加入到未来的银河系“行星普查”中。
　　经过仔细分析研究，葛健和团队认为，开普勒任务没能实现核心科学目标有两个重要原因：一是对恒星活动噪声认识不足，二是仪器的噪声偏高，“当时天文学家对恒星和行星的认识还不够深入，直到望远镜上天之后才发现问题”。
　　葛健解释，开普勒寻找行星主要用的是“凌星法”，也就是行星经过恒星表面时所引发的恒星表面的微弱光度变化。当初设计仪器的探测指标时，科学家是以太阳的活跃度为蓝本的。可当开普勒上天之后才发现，大约有2/3的待观测恒星活动要比太阳剧烈很多。这样一来，观测的噪声非常大，一些小的凌星信号就会被无情淹没。
　　再者，开普勒望远镜的视场只有100平方度（月亮的视面积约为0.5平方度），而全天约为4.1万平方度。按照朝一个方向观测一年的节奏，开普勒要看遍全天需要400多年。一般而言，行星只观测到一次还不能确认，要观测到三四次才行。因此，开普勒能够观测的主要是公转周期在一年以内的行星，对于周期超过一年的就无可奈何了。
　　如此一来，开普勒任务虽然开启了人类寻找太阳系外行星的先河，却给后来者留下了巨大的探索空间。

独创“搜星利器”
超大视场+超高精度

　　2019年，在中国科学院“空间科学（二期）”战略性先导科技专项的总体部署下，葛健召集了几十位科学家和技术人员，开始筹划“地球2.0”项目。
　　经过一年多预研，项目整体方案最终确定：科学卫星将搭载自主研制的6台30厘米口径、500平方度广角凌星望远镜，1台30厘米口径、4平方度微引力透镜望远镜，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。
　　“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。
　　“我们原先设计7台256平方度的望远镜都用凌星法来观测，优化设计后，每台凌星望远镜的视场增加到500平方度，这样每台望远镜的搜寻能力也就相应提高了一倍。”葛健介绍，后来经清华大学天文系系主任毛淑德教授建议，项目方案作了调整，空出一个载荷位置，放置微引力透镜望远镜，对准银河系中心观测。
　　葛健说，银河系中心的恒星密度非常大，尽管单个恒星和前景目标，包括恒星和行星，能对准发生微引力透镜效应的概率很小，但银心附近数量庞大的恒星大大增加了发生微引力透镜事件的总量，“这样我们就有机会发现不少质量较小的行星，甚至‘流浪地球’”。
　　“开普勒望远镜口径大约1米，视场做到100平方度已经是极限了。但我们创造性地用6个30厘米的较小望远镜来实现500平方度的超大视场观测，同时让6台望远镜观测同一个视场的目标，并将观测的数据叠加，从而实现一个较大口径望远镜的观测深度。”葛健说，这样既实现了超大视场，又实现了观测深度的要求，也就可以看到更多星星。
　　“地球2.0”项目使用了我国自主研发的CMOS传感器，它的噪声非常低，可帮助“地球2.0”卫星比开普勒看得更深，同时这也将是人类首次将CMOS用于太空超高精度测光观测。
　　此外，在卫星姿态方面，团队已完成卫星飞轮隔震系统的地面试验验证，于今年4月开展在轨验证；在超高精度测光相机技术方面，已完成单探测器相机空间样机的实验室组装，开展了性能的初步测试，探测器噪声达到预期要求；卫星载荷的温控能力也从开普勒10℃上下的变化幅度降到0.6℃以内，大大降低了温度变化带来的仪器测量噪声。
　　有了如此“搜星利器”，葛健对项目实施信心满满：它不仅可以获得开普勒望远镜5倍的视场，仪器噪声比开普勒低20倍，同时还能通过使用先进的相控阵天线下载数据，解决了开普勒数据下载不畅的难题。总体而言，“我们的巡天能力将是开普勒望远镜的10到15倍”。

超越开普勒
建最大类地行星样本库

　　“地球2.0”项目目前已组建起了由国内外30多所大学和研究所的200多位天文学家参与的卫星科学团队，完成了卫星的科学目标研究，卫星载荷、超高精度导星和卫星平台的设计方案均已完成。
　　业内专家认为，“地球2.0”项目实施后，将会使人类获得最大的类地行星样本库。
　　尽管人类迄今仍未发现一个“地球2.0”，但科学家们确信“地球2.0”的存在。因为，通过开普勒望远镜，科学家们在一些较安静的亮星周围，已经找到了300多个周期短（少于20天）、但大小与地球类似的固体行星。
　　“这些行星很可能是在原恒星气体盘完全消散后碰撞而成，因此和地球起源最为类似。”葛健说，这些被称为“亚地球”的行星如果位于宜居区内，很有可能就是我们一直想搜寻的“地球2.0”。
　　而且，通过对各类类地行星样本进行深入分析，天文学家还有望揭开类地行星和流浪行星的起源之谜。通过后续地面和空间望远镜的观测，测量和研究太阳系外类地行星的质量、密度，以及它们上面的大气、海洋和宜居性特征，甚至有望发现系外生命迹象，将系外行星科学研究跃升到“地球时代”。
　　根据项目时间表，今年年底前，团队预计将完成全部技术攻关和实验室验证。项目顺利立项后，可在2023年着手进行卫星的制造，2026年底前将可发射入轨。再经过三到六个月的调试，望远镜最早可在2027年夏天开始目标搜寻。
　　葛健预计，开始搜寻两年后，可能会有一些早期发现，到2031年整个项目的基本任务将完成。根据部分模拟，项目预计将能找到约5000个类地行星，约200个流浪行星，以及十几个“地球2.0”。文图均据文汇报