近期，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)圍繞近鄰宜居行星巡天計(jì)劃（Closeby Habitable Exoplanet Survey，CHES）空間探測(cè)開(kāi)展了先期研究，為近鄰類日恒星的宜居帶類地行星探測(cè)任務(wù)制定了觀測(cè)策略。相關(guān)研究成果發(fā)表在《The Astronomical Journal》上。

2024年10月15日，中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家航天局及中國(guó)載人航天工程辦公室聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)家空間科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》，提出我國(guó)空間科學(xué)發(fā)展的“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)。該規(guī)劃將“宜居行星”探測(cè)列為五大科學(xué)主題之一，指出“近鄰宜居系外行星”為重要的前沿研究方向。

近鄰宜居行星巡天計(jì)劃將發(fā)射一個(gè)1.2米口徑高精度空間天體測(cè)量望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)精確測(cè)量目標(biāo)恒星與參考星之間微角秒級(jí)別的星間距變化，探測(cè)圍繞100顆近鄰類日恒星（距太陽(yáng)系約 32 光年）周圍宜居帶的類地行星。CHES預(yù)計(jì)將首次發(fā)現(xiàn)近鄰類日恒星的宜居帶類地行星，實(shí)現(xiàn)從0到1的重大科學(xué)突破；將全面普查近鄰行星的數(shù)目、真實(shí)質(zhì)量和三維軌道等信息。該計(jì)劃采用原創(chuàng)性技術(shù)路線，在宜居帶類地行星探測(cè)方法上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，相關(guān)研究將解答“近鄰宜居系外行星的分布”、“地球是否唯一”及“行星如何成為生命搖籃”等重大科學(xué)問(wèn)題。

針對(duì)CHES衛(wèi)星發(fā)射后在日地拉格朗日 L2 點(diǎn)的運(yùn)行情況，團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了目標(biāo)恒星的仿真觀測(cè)研究。為確保探測(cè)任務(wù)能有效捕捉到類日恒星宜居帶內(nèi)類地行星的信號(hào)，科研團(tuán)隊(duì)為每個(gè)目標(biāo)恒星制定了詳盡的觀測(cè)策略與方案。此外，各目標(biāo)恒星在探測(cè)任務(wù)周期內(nèi)的觀測(cè)時(shí)刻需科學(xué)合理分布，以保證探測(cè)的高效性。因此，觀測(cè)策略的設(shè)計(jì)是驗(yàn)證任務(wù)可行性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

科研人員綜合考慮了載荷觀測(cè)效率、衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定性及熱控精度的高要求，選擇在日地拉格朗日L2點(diǎn)的Halo軌道上運(yùn)行5年。該任務(wù)設(shè)有兩種觀測(cè)模式：主要觀測(cè)模式和重復(fù)觀測(cè)模式。主要觀測(cè)模式將在垂直于黃道面的方向上依次進(jìn)行循環(huán)觀測(cè)，觀測(cè)方向?qū)⒃诖怪庇谔?yáng)和L2點(diǎn)連線的平面上繞連線旋轉(zhuǎn)，承擔(dān)大部分觀測(cè)任務(wù)。重復(fù)觀測(cè)模式則用于補(bǔ)足觀測(cè)次數(shù)要求較多或分布密集的恒星，觀測(cè)方向會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。因此，觀測(cè)策略將基于目標(biāo)恒星在黃道坐標(biāo)系下的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖1）。

在主要觀測(cè)模式下，望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)范圍將隨著地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)而變化。為避免陽(yáng)光直射對(duì)觀測(cè)的影響，當(dāng)觀測(cè)方向與太陽(yáng)方向的夾角小于60°時(shí)，將不再重復(fù)觀測(cè)。因此，每年每顆目標(biāo)恒星的可觀測(cè)時(shí)間約占全年的2/3。在5年的任務(wù)周期內(nèi)，望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)區(qū)域每年均有所變化，從而確保目標(biāo)恒星在每年觀測(cè)的時(shí)刻不同（圖2），以便充分觀測(cè)視差及行星軌道，這最終提高了對(duì)宜居帶類地行星信號(hào)的探測(cè)能力。研究人員還模擬了目標(biāo)恒星HD 88230周圍宜居帶存在一顆類地行星的情形（圖3），并進(jìn)行了仿真觀測(cè)與數(shù)據(jù)擬合，驗(yàn)證了該觀測(cè)策略能夠探測(cè)到宜居帶類地行星的信號(hào)，并成功反演其軌道參數(shù)，從而證實(shí)了觀測(cè)策略的可行性。

基于高精度的天體測(cè)量方法，CHES還能夠探測(cè)X射線雙星和黑洞候選體，揭示銀河系的暗物質(zhì)分布。進(jìn)一步研究表明，在5年的任務(wù)周期內(nèi)，累計(jì)有29220小時(shí)可用于科學(xué)觀測(cè)，其中25120小時(shí)專用于CHES任務(wù)的近鄰系外宜居行星探測(cè)，占總觀測(cè)時(shí)間的86%。其余4100小時(shí)則可用于拓展科學(xué)目標(biāo)的研究，例如X射線雙星與恒星級(jí)黑洞的質(zhì)量測(cè)量等，這將有助于深入理解黑洞的形成及其他前沿科學(xué)問(wèn)題。

該項(xiàng)研究得到中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.3847/1538-3881/ad6f01

圖1 CHES任務(wù)目標(biāo)恒星在黃道坐標(biāo)系下的分布

圖2 CHES任務(wù)目標(biāo)恒星觀測(cè)序列示例

圖3 CHES任務(wù)仿真觀測(cè)目標(biāo)恒星HD 88230存在類地行星情形