用原创性技术路线探寻“下一个地球”

CHES计划将发射1个搭载1.2米口径高精度空间天体测量望远镜的卫星——CHES卫星，通过空间微角秒级别的高精度天体测量方法，探测距太阳系约32光年的近邻类日恒星宜居带，并从中寻找“下一个地球”。

聚焦天文领域未解之谜

自1995年发现首颗系外行星起，人类迄今已发现6000余颗系外行星。“2000年以来, 国际上已启动并实施了多个项目，进行系外行星的空间探测。然而，目前尚未发现类日恒星周围宜居带内的类地行星。”中国科学院紫金山天文台行星科学与深空探测实验室主任、首席研究员季江徽告诉记者。

10月15日，中国科学院、国家航天局及中国载人航天工程办公室联合发布《国家空间科学中长期发展规划（2024—2050年）》，提出我国空间科学发展“三步走”战略目标。该规划将“宜居行星”主题列为我国有望取得突破的五大科学主题之一，并提出“探索太阳系天体和系外行星的宜居性，开展地外生命探寻”。

何为宜居行星？季江徽说，宜居带是恒星周围适宜生命存在的区域。在宜居带内，行星表面平均温度能维持液态水的稳定存在，同时恒星辐射与活动性不能太强，以免破坏行星大气。在太阳系，地球的轨道位于金星与火星之间，恰好处于太阳系宜居带。“宜居带类地行星被视为宇宙中的‘新大陆’，是人类探索生命信号的主要目标。这些行星有望成为理想的人类第二家园，即‘下一个地球’。”他说。

季江徽介绍，目前，距离太阳系32光年以内发现的行星数仅占系外行星总数的2%，其中仅有16颗是宜居带上的岩石行星，且均围绕温度较低的红矮星运行，这样的条件对生命的存活不利。因此，“‘下一个地球’究竟在哪里”，仍是天文学上的未解之谜。尤其令人困扰的是，在距离太阳系32光年以内的类日恒星中，约90%的恒星周围尚未探测到行星存在。作为国际上首个直接探测近邻类日恒星宜居带类地行星的空间任务，CHES计划有望解答“近邻宜居系外行星的分布”“地球是否唯一”“行星如何成为生命摇篮”等重大科学问题。

突破天体测量关键技术

季江徽及团队长期开展系外行星探测以及地外生命探寻等研究，他介绍，CHES计划将采用原创性技术路线，利用基于空间微角秒级别的高精度天体测量和定位技术，普查太阳系近邻约100颗类日恒星, 并从中探测宜居带类地行星或“超级地球”。同时，该计划还将详细普查宜居行星的数目、真实质量和三维轨道等信息。

“CHES计划采用的原创性技术路线，具体将由微像素星间距测量、低畸变大视场望远镜光学系统和高稳定度姿控、高精度热控等技术来实现。”中国科学院国家空间科学中心副研究员李海涛说，微像素星间距测量技术将通过外插式激光干涉手段对探测器的像素特性进行标定，实现约10-5像素级别的星间距测量精度；低畸变大视场望远镜光学系统技术主要包括反射镜的研磨、镜头的微应力固定、系统结构稳定性设计、系统轻量化、系统装配及检测等具体技术；高稳定度姿控、高精度热控技术则可以使CHES卫星平台性能更稳定。

近年来，紫金山天文台联合中国科学院国家空间科学中心、光电技术研究所和微小卫星创新研究院，充分发挥中国科学院体制化建制化优势，已在上述关键技术领域取得重大突破。季江徽说，通过采用原创性探测方法，CHES计划希望填补近邻类日恒星宜居带类地行星探测的空白。

开展目标恒星仿真观测

针对CHES卫星发射后在日地拉格朗日L2点的运行情况，团队已开展目标恒星的仿真观测研究。为确保探测任务能有效捕捉到类日恒星宜居带内类地行星的信号，科研团队为每个目标恒星制定了详尽观测策略与优化方案，并对各目标恒星在探测任务周期内的观测时刻作了科学规划。

“团队综合考虑了载荷观测效率、卫星姿态稳定性及热控精度的高要求，选择在日地拉格朗日L2点的晕轨道上运行5年。”季江徽介绍，1.2米口径高精度空间天体测量望远镜设有主要观测和重复观测两种模式。主要观测模式将在垂直于黄道面的方向上依次进行循环观测，观测方向将在垂直于太阳和L2点连线的平面上绕连线旋转，承担大部分观测任务。重复观测模式则用于补足观测次数要求较多或分布密集的恒星，观测方向会根据需要进行调整。

在主要观测模式下，望远镜的观测范围将随着地球绕太阳的公转而变化。为避免阳光直射对观测的影响，当观测方向与太阳方向的夹角小于60度时，将不再重复观测。因此，每年每颗目标恒星的可观测时间约占全年的2/3。

季江徽介绍，在5年的任务周期内，望远镜的观测区域每年均将有所调整，从而确保目标恒星在每年观测的时刻不同，以便充分观测视差及行星轨道，进而提高对宜居带类地行星信号的探测能力。

研究人员还模拟了目标恒星HD 88230周围宜居带存在一颗类地行星的情形，并进行了仿真观测与数据拟合。结果验证了该观测策略能探测到信号。研究人员还成功反演出其轨道参数。

季江徽说，在5年的任务周期内，CHES卫星将累计有29220小时可用于科学观测，其中25120小时专用于CHES计划的近邻系外宜居行星探测，占总观测时间的86%；其余4100小时则用于拓展科学目标的研究，例如X射线双星与恒星级黑洞的质量测量等，这将有助于深入理解黑洞的形成及其他前沿科学问题。