我們殷切期待ET能發(fā)現(xiàn) ”第二個(gè)“地球，為人類回答”are we alone?'這一問(wèn)題發(fā)出中國(guó)天文學(xué)家的聲音！
宇宙中真的存在如E.T.這樣的智慧生命嗎？我們又應(yīng)該如何尋找他們？圖片來(lái)源：電影《E.T.》劇照
在過(guò)去幾周，我們推送了《類地行星中的“葫蘆七兄弟”和它們的小宇宙》《天涯若比鄰：尋找“地球2.0” | 賽先生》等文章，詳細(xì)介紹了尋找系外行星、地外生命，以及超級(jí)地球，甚至是地球2.0的各種方法及相應(yīng)的計(jì)劃、項(xiàng)目。今天，我們將介紹另一個(gè)尋找系外行星及地外生命的路徑，而它的名字縮寫，恰好與40年前電影中的外星生物相同。本期賽先生天文，讓我們看看科學(xué)家如何用ET衛(wèi)星來(lái)尋找宇宙中的E.T.們。撰文 | 葛健、張輝、鄧洪平（上海天文臺(tái)）
責(zé)編 | 王馨心、呂浩然
人類蓬勃發(fā)展的動(dòng)力源于自身內(nèi)稟的好奇心，而那些探索未知世界的英雄之所以偉大，是因?yàn)樗麄儾粫?huì)將好奇心僅停留于幻想，而是勇敢地把它變成現(xiàn)實(shí)。古往今來(lái)，伴隨著人類宇宙觀翻天覆地的變化，歷代先哲都曾孜孜不倦地思考過(guò)人類在宇宙中的位置。科學(xué)（特別是天文學(xué)）的發(fā)展不僅僅推動(dòng)了人類對(duì)宇宙的客觀認(rèn)識(shí)，更讓人類意識(shí)到自己并不特殊——地球（或太陽(yáng)系、銀河系）并不是宇宙的中心，人類也沒有理由是宇宙中唯一的智慧生命。“Are we alone?” 這是一個(gè)橫亙?nèi)祟愇拿靼l(fā)展史的問(wèn)題。但站在今天的科技水平上，也許正確的問(wèn)題應(yīng)該是“Where are they?”——著名的物理學(xué)家費(fèi)米（Enrico Fermi，1901-1954）提問(wèn)（也稱“費(fèi)米悖論”）。按照費(fèi)米博士的量級(jí)估計(jì)，僅銀河系內(nèi)就將有近百萬(wàn)文明，如果其中一半的文明程度超過(guò)地球，那銀河系內(nèi)就應(yīng)該不難發(fā)現(xiàn)智慧的痕跡。然而時(shí)至今日，人類也從未發(fā)現(xiàn)過(guò)任何地外文明存在的真正可信證據(jù)，更不用說(shuō)和人類有了真正接觸的智慧生命（如E.T. the Extra-Terrestrial 和 Contact 電影中描述的那樣）。對(duì)費(fèi)米悖論的解釋非常多，這里不過(guò)多贅述。簡(jiǎn)單回顧眾多解釋就會(huì)發(fā)現(xiàn)，以前人類只能被動(dòng)地等待（接收）地外文明發(fā)出的信號(hào)，如果對(duì)方?jīng)]有能力（或者不愿意——例如黑暗森林理論）進(jìn)行星際廣播，那人類自然得不到任何信息?？墒侵袊?guó)有句古話說(shuō)得好，“跑得了和尚跑不了廟”。得益于現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)，尤其是空間技術(shù)的飛速發(fā)展，如今人類已經(jīng)可以主動(dòng)搜尋那些能夠孕育類地生命、支持智慧文明發(fā)展的行星了，我們稱之為——地球2.0。由于到目前為止，人類僅有地球這唯一的樣本（觀測(cè)上尚未發(fā)現(xiàn)真正意義上的地球2.0），因此，對(duì)地球在宇宙中出現(xiàn)率的測(cè)量很不確定，其取值范圍在國(guó)際上眾說(shuō)紛紜（圖1）。而且，我們不僅無(wú)法回答我們是否是宇宙中唯一生命的問(wèn)題，也不知道地球在宇宙中是多么普遍的存在。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在2009年發(fā)射的開普勒（Kepler）科學(xué)衛(wèi)星的最核心的目標(biāo)就是要發(fā)現(xiàn)若干個(gè)地球2.0，從而回答這些基本問(wèn)題。圖1：目前對(duì)地球出現(xiàn)率的研究結(jié)果有著巨大的不確定性。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]
然而遺憾的是，由于儀器（相繼失效的飛輪和很高的儀器噪聲）和科學(xué)（超過(guò)預(yù)期的恒星活動(dòng)性噪聲水平）等多方面的原因，Kepler衛(wèi)星雖然找到了新的行星種群：大量大小介于海王星和地球之間、位置大都在水星軌道以內(nèi)的亞海王星和超級(jí)地球，但卻未能找到地球2.0。因此，為了能回答這些人類最關(guān)心的基本問(wèn)題，并在宇宙中找到其他生命，甚至智慧文明，我們迫切地需要一個(gè)新的空間科學(xué)衛(wèi)星來(lái)完成Kepler所未完成的、具有重大歷史意義的科學(xué)任務(wù)。中國(guó)科學(xué)院空間先導(dǎo)背景型研究支持的地球2.0空間巡天（簡(jiǎn)稱ET）就是使用技術(shù)相對(duì)成熟的空間凌星法來(lái)搜尋地球2.0的空間衛(wèi)星項(xiàng)目（圖2）。ET的核心目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)具有重大歷史意義的第一顆地球2.0，同時(shí)通過(guò)4年的搜尋試圖發(fā)現(xiàn)10-20顆地球2.0（圖3），并借此來(lái)首次精確確定地球這類行星的出現(xiàn)率。這一關(guān)鍵信息是人類估算銀河系內(nèi)的地外生命乃至地外文明數(shù)量的基礎(chǔ)之一，因此，精確確定地球的出現(xiàn)率也將是一個(gè)里程碑式的發(fā)現(xiàn)。圖2：地球2.0巡天空間衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱ET）的核心科學(xué)目標(biāo)就是通過(guò)技術(shù)相對(duì)成熟的凌星法來(lái)搜尋類太陽(yáng)恒星宜居帶內(nèi)的類地行星——地球2.0。圖片來(lái)源：NASA
為了找到這樣的第二個(gè)“地球”，我們先要思考地球有何獨(dú)特之處，使之能夠孕育生命，并在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里支撐生命的繁衍與進(jìn)化。首先，地球圍繞著一顆相對(duì)溫和的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，行星環(huán)境不至于被恒星表面頻繁的耀發(fā)所帶來(lái)的X射線和紫外線過(guò)度侵?jǐn)_，使得生命難以產(chǎn)生和存活；其次，地球與恒星距離合適，使得行星表面可以允許液態(tài)水的存在（宜居帶）; 第三，地球的表面是巖質(zhì)的，能夠支撐生命的穩(wěn)定發(fā)展和演化，同時(shí)它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)允許一定的板塊運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)活動(dòng)，使得物質(zhì)可以有序地循環(huán)；最后，地球還擁有適宜的大氣成分（如水、氧氣，同時(shí)氧氣也是生物存在的標(biāo)識(shí)分子之一），不至于像金星一樣發(fā)生極端失控的溫室效應(yīng)。基于對(duì)地球上生命的產(chǎn)生和演化的認(rèn)識(shí)，地球2.0行星是那些分布在宜居帶中、繞著類太陽(yáng)恒星轉(zhuǎn)，且與地球大小、質(zhì)量（約0.8-1.25地球半徑和0.5-2地球質(zhì)量）相當(dāng)?shù)男行?。由于它們和地球的環(huán)境非常相似，地球2.0上如果存在生命，將最有可能進(jìn)化出甚至與人類文明相近（至少是可以交流）的地外文明。在日常生活中，我們經(jīng)常被“科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的宜居行星”這類新聞刷屏，但實(shí)際上這些報(bào)道中的宜居行星與真正的地球2.0相差甚遠(yuǎn)。這些報(bào)道的宜居行星要么個(gè)頭太大（如在宜居帶中的超級(jí)地球），要么就是圍繞著小質(zhì)量的紅矮星。對(duì)于這些超過(guò)2倍地球質(zhì)量的超級(jí)地球，它們的表面多半都因?yàn)橐μ蠖鴮?dǎo)致布滿火山巖漿，同時(shí)也多半具有富含氫氣的濃厚大氣，這些都極不利于生命的產(chǎn)生和演化。相同地，對(duì)于繞著小質(zhì)量紅矮星并處于宜居帶中的地球大小和質(zhì)量的行星，它們的環(huán)境也和地球相差甚遠(yuǎn)，不利于生命的存活。紅矮星大多數(shù)都有較強(qiáng)的耀斑活動(dòng)，經(jīng)常發(fā)生10-1000倍太陽(yáng)強(qiáng)度、含大量對(duì)生命有害的X射線和紫外線的耀發(fā)，可電離行星的大氣，使之逐漸從行星上剝離。不僅如此，狹窄的紅矮星宜居帶還非?？拷餍牵渲械男行菚?huì)受到強(qiáng)烈的潮汐力作用，導(dǎo)致它們的表面被鎖定，使得只有其中的一面會(huì)一直對(duì)著恒星，行星對(duì)著恒星的那面多半炎熱干燥，而另一面可能嚴(yán)寒潮濕，行星的內(nèi)部活動(dòng)和大氣環(huán)流受到這種潮汐鎖定的嚴(yán)重影響，造成迥異于地球的環(huán)境（圖3）。這些都將非常不利于生命的生存。圖3：目前共發(fā)現(xiàn)十顆地球大小位于”宜居帶”內(nèi)的行星，但它們都以較小的周期圍繞活躍的紅矮星公轉(zhuǎn)，擁有和地球差異巨大的空間和大氣環(huán)境，它們的真實(shí)宜居性很不確定。ET衛(wèi)星旨在利用凌星探索類太陽(yáng)恒星宜居帶內(nèi)陸球大小的行星，并通過(guò)微引力透鏡法探測(cè)離主星更遠(yuǎn)，甚至孤獨(dú)流浪的地球大小的行星。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[4]
為了搜尋和確定適合生命生存與繁衍的地球2.0，我們需要確定其恒星是否為相對(duì)安靜的類太陽(yáng)恒星、行星是否處于宜居帶內(nèi)、其大小/質(zhì)量是否和地球相似，以及是否擁有適宜的大氣環(huán)境等關(guān)鍵因素。我們需要完成四個(gè)關(guān)鍵物理量的測(cè)量：行星的軌道周期、大?。ò霃剑①|(zhì)量和大氣成分。其中行星的大小和質(zhì)量同等重要，對(duì)推斷行星結(jié)構(gòu)和內(nèi)部組成缺一不可, 如trappiest-1 e、f、g行星[2]。只有那些在這四個(gè)維度上接近地球的候選者才是真正的地球2.0，為未來(lái)探索地外生命提供候選目標(biāo)，也為研究地外生命打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。目前主要的行星探測(cè)方法有凌星法、視向速度法、微引力透鏡法、直接成像法和天體測(cè)量法（按探測(cè)到的行星數(shù)量排序）。其中凌星法通過(guò)測(cè)量行星從恒星前面掠過(guò)時(shí)，遮掩恒星所造成的周期性亮度衰減來(lái)確定行星的大小和周期。到目前為止，凌星探測(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約70%的已知的5千多顆系外行星，和圖3中6/10的地球大小的行星，是目前最有效和最精確的搜尋系外行星的方法。國(guó)際上已運(yùn)行的空間搜尋系外行星的衛(wèi)星全都采用成熟的凌星法，如歐洲的CoRoT和CHEOPS衛(wèi)星，以及美國(guó)的Kepler和TESS衛(wèi)星。同時(shí)，歐洲空間局計(jì)劃于2026年發(fā)射的Plato衛(wèi)星也是采用凌星法搜尋和探測(cè)系外行星。美國(guó)21世紀(jì)初曾考慮使用基于空間天體測(cè)量法的SIM Lite衛(wèi)星來(lái)搜尋近鄰系外行星，但因?yàn)榧夹g(shù)極具挑戰(zhàn)性以及造價(jià)昂貴而取消了此計(jì)劃[6]。代替這一計(jì)劃的是基于成熟的空間微引力透鏡法的Roman衛(wèi)星。微引力透鏡法能探測(cè)到處于火星軌道以外以及海王星以內(nèi)的各類冷行星，還具有搜尋和探測(cè)流浪行星的優(yōu)勢(shì)。各種探測(cè)方法都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，只有互相配合才有可能充分刻畫所發(fā)現(xiàn)行星的特質(zhì)，確認(rèn)行星是否與地球相似，完成地球2.0確認(rèn)的艱巨任務(wù)。例如，通過(guò)高精度的空間凌星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)若干個(gè)地球2.0候選體，需要進(jìn)一步通過(guò)地面大望遠(yuǎn)鏡的后隨高精度視向速度觀測(cè)來(lái)測(cè)量行星的質(zhì)量，然后結(jié)合凌星法測(cè)到的大小獲得行星密度，并借此來(lái)推斷行星的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)以確定行星的宜居環(huán)境。同時(shí)，通過(guò)地面和空間大型望遠(yuǎn)鏡（如30米望遠(yuǎn)鏡TMT和詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡JWST）的后隨光譜觀測(cè)可測(cè)量凌星時(shí)的透射光譜，分析行星的大氣成分，尋找生命的痕跡（如圖4）。因此，空間凌星法結(jié)合地面和空間的后隨視向速度和光譜觀測(cè)非常有效，可以勝任確認(rèn)地球2.0和搜尋生命跡象的艱巨任務(wù)。然而，通過(guò)視向速度或天體測(cè)量發(fā)現(xiàn)的地球2.0候選體極大概率（99.5%）不會(huì)恰好處于恒星和觀測(cè)者的視線之間，也不會(huì)發(fā)生凌星現(xiàn)象。因此這些候選體無(wú)法通過(guò)后續(xù)觀測(cè)測(cè)得行星大小和密度（利用目前技術(shù)手段），更無(wú)法通過(guò)透射光譜確定行星大氣成分。所以，這兩種方法很難確認(rèn)地球2.0，更無(wú)法搜尋生命跡象。圖4：凌星法通過(guò)探測(cè)恒星由于行星遮擋而造成的亮度衰減而發(fā)現(xiàn)行星，確認(rèn)它們的大小和軌道周期。行星引力會(huì)造成主星晃動(dòng)（虛線軌道），我們也可通過(guò)測(cè)量恒星位置移動(dòng)（天體測(cè)量）或恒星光譜偏移（視向速度法）間接推斷行星的質(zhì)量。然而只有發(fā)生凌星的行星（觀測(cè)者與行星軌道幾乎共面），才可以獲得半徑測(cè)量和大氣成分分析。注：圖中兩顆示意恒星代表不同方法探測(cè)到的行星，不屬于同一行星系統(tǒng)。圖片來(lái)源：作者供圖，credit：方童
ET衛(wèi)星的凌星望遠(yuǎn)鏡將凝視Kepler衛(wèi)星和它附近500平方度的天區(qū)中的120萬(wàn)顆類太陽(yáng)恒星和紅矮星，預(yù)計(jì)發(fā)現(xiàn)近三萬(wàn)顆系外行星，是目前已知數(shù)目的6倍，這將極大地拓展系外行星的參數(shù)空間（圖5）。這些新行星樣本包含約五千顆類地行星[3/4/5]，是目前已知類地行星數(shù)目的約15倍，其中大約有10-20個(gè)首次發(fā)現(xiàn)的地球2.0的候選體。對(duì)這些地球2.0的候選者的后隨視向速度和凌星光譜觀測(cè)將幫助確認(rèn)其中的真正地球2.0，邁出尋找地外生命的關(guān)鍵的、不可或缺的一步。地球2.0的確認(rèn)無(wú)疑將是探索宇宙的歷史豐碑，但要了解地球或者地球2.0的特性則需要我們理解類地行星整個(gè)種群如何分布、如何形成，以及它們?nèi)绾问艿狡渌蛩兀ㄈ绾阈翘卣?、環(huán)境，以及其他類型的行星）的影響等基本問(wèn)題。凌星衛(wèi)星更易探測(cè)到周期較短的行星，為了更好地了解長(zhǎng)周期行星的性質(zhì)，ET衛(wèi)星還搭載了一臺(tái)微引力透鏡望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)分析恒星-行星引力透鏡在放大背景恒星亮度時(shí)的光變曲線，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)周期，甚至宇宙中流浪的類地行星。ET的微引力透鏡巡天預(yù)計(jì)會(huì)探測(cè)到大約400個(gè)冷行星和600個(gè)流浪行星，其中大約1/5是類地行星，并且通過(guò)和地面的KMTNet望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)觀測(cè)確定大約300個(gè)冷行星和流浪行星（包括流浪地球）的質(zhì)量。圖5：ET的發(fā)現(xiàn)將在Kepler衛(wèi)星的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展我們對(duì)系外行星種群的認(rèn)知空間。橫坐標(biāo)為行星軌道周期，縱坐標(biāo)為行星半徑。黑點(diǎn)為Kepler發(fā)現(xiàn)的系外行星，有顏色的點(diǎn)是ET預(yù)計(jì)發(fā)現(xiàn)的系外行星。偏黃的點(diǎn)是比太陽(yáng)稍大的恒星周圍發(fā)現(xiàn)的系外行星，綠色的點(diǎn)是在太陽(yáng)大小相似的恒星周圍發(fā)現(xiàn)的系外行星，偏藍(lán)的點(diǎn)在比太陽(yáng)小很多的紅矮星周圍發(fā)現(xiàn)的系外行星。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]
ET衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)的這些微引力透鏡行星和凌星行星一起，將首次提供對(duì)系外行星的各種種群的完備樣本，幫助深刻揭示行星（包括類地行星）的多樣性和獨(dú)特性，對(duì)行星形成和演化的理解提供啟示。我們殷切期待ET能發(fā)現(xiàn) ”第二個(gè)“地球，為人類回答”are we alone?'這一問(wèn)題發(fā)出中國(guó)天文學(xué)家的聲音！
葛 健，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員（2020年至今），曾為美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)終身教授（2004-2020），長(zhǎng)期從事實(shí)測(cè)天文，天文技術(shù)和儀器研究。中國(guó)科學(xué)院空間先導(dǎo)地球2.0科學(xué)衛(wèi)星背景型號(hào)研究的創(chuàng)始人和首席科學(xué)家、達(dá)摩近鄰宜居行星巡天的創(chuàng)始人和首席科學(xué)家、科幻片《星際迷航》中的瓦肯星系外行星的發(fā)現(xiàn)者、全球首位找到地外行星的華裔科學(xué)家、國(guó)際斯隆數(shù)字巡天三期MARVELS多目標(biāo)地外行星巡天創(chuàng)始人和首席科學(xué)家等。
張 輝，中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)“百人”研究員、博士生導(dǎo)師。主要從事與太陽(yáng)系外行星相關(guān)的理論研究和高精度測(cè)光巡天觀測(cè)，先后承擔(dān)了中國(guó)南極巡天望遠(yuǎn)鏡（AST3）、南京大學(xué)的“時(shí)域天文臺(tái)”（TiDO）大視場(chǎng)巡天運(yùn)行與數(shù)據(jù)處理工作。其工作曾入選2019年“全國(guó)十大天文科技進(jìn)展”（中國(guó)南極系外行星搜尋）；2020年獲得第一屆“江蘇省天文學(xué)會(huì)青年人才獎(jiǎng)”與“江蘇省天文學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”（第三完成人）。目前擔(dān)任中科院先導(dǎo)項(xiàng)目“地球2.0（ET）”的科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，承擔(dān)觀測(cè)數(shù)據(jù)的模擬、巡天結(jié)果的仿真和整體數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行工作。
鄧洪平，中科院上海天文臺(tái)副研究員，2019年在蘇黎世大學(xué)獲博士學(xué)位，主要從事行星形成理論方面的研究。
[1] M. Kunimoto & J. M. Matthews, (2020), Searching the Entirety of Kepler Data. II. Occurrence Rate Estimates for FGK Stars, AJ, 159:248；
[2] Grimm, S. L., Demory, B. et al., (2018), The nature of the TRAPPIST-1 exoplanets, AA, 613,68;
[3] Ge, J., Zhang, H., Zang, W.C. et al., (2022a). ET White Paper: To Find the First Earth 2.0, arXiv:2206.06693, https://arxiv.org/abs/2206.06693;
[4] Ge, J., Zhang, H., Deng, H., Howell, S.B., the ET team, (2022b), The ET mission to search for Earth 2.0s, The Innovation, doi: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100271
[5] Ge, J., Zhang H. Deng, H.P., et al. (2022c), 'The Earth 2.0 Space Mission for Detecting Earth-like Planets around Solar Type Stars', Proc. SPIE, 12180-41, in press.
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Space_Interferometry_Mission
