宇宙浩渺，奧秘無(wú)限；仰望星空，求索不止。太陽(yáng)系外行星探測與搜尋地球外的生命息息相關(guān)，一直是國際天文學(xué)的研究熱點(diǎn)。

　　中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所負責的“中國載人空間站巡天空間望遠鏡系外行星成像星冕儀”科研項目，將首次把星冕儀“搬”到天上去，對類(lèi)太陽(yáng)恒星周?chē)袄洹毙行沁M(jìn)行直接成像探測，為人類(lèi)尋找系外生命邁出關(guān)鍵一步。目前，該項目已完成兩項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并于2020年10月順利通過(guò)方案研制轉初樣評審。

　　“在探照燈旁尋找微弱的螢火蟲(chóng)”

　　“我們處在一個(gè)很好的時(shí)代——尋找系外生命不再停留在科幻小說(shuō)和科幻電影里，而是用科學(xué)手段來(lái)探測適宜人類(lèi)生命存在的星球。”中科院南京天光所研究員竇江培說(shuō)。

　　據了解，國內外科學(xué)家進(jìn)行系外行星探測，主要用的是間接探測法和直接成像法。相關(guān)數據統計，目前已發(fā)現4300多顆系外行星，其中絕大多數是通過(guò)間接探測法“捕捉”到的。

　　所謂間接探測法，是通過(guò)探測恒星信號（行星對恒星的擾動(dòng)產(chǎn)生的變化）來(lái)推斷行星的存在，如凌星法、視向速度法等。但是間接探測法難以直接獲取來(lái)自行星的信號，再加之現有技術(shù)的局限，至今科學(xué)家尚未確認另一個(gè)存在生命的星球——地球2。

　　直接成像法，則通過(guò)系外行星直接成像技術(shù)，直接探測行星信號，從而真正地“看到”行星，并研究行星的大氣中是否存在生命特征信號。這是未來(lái)確認“地球2”的關(guān)鍵。但是，該技術(shù)難度極大，目前利用該方法發(fā)現的行星只有40多顆。

　　“系外行星直接成像探測在技術(shù)上非常具有挑戰性。”竇江培告訴記者，因為行星光非常弱，而恒星光非常強，通常情況下行星光會(huì )被淹沒(méi)在恒星強光之下，難以被直接探測到。他打了個(gè)比方：要探測冷下來(lái)的系外行星，相當于“站在南京看位于北京天安門(mén)探照燈旁30厘米處的螢火蟲(chóng)”。

　　因此，要直接“看到”行星的信號，需要借助高對比度成像星冕儀技術(shù)。星冕儀可以通過(guò)各種調制技術(shù)來(lái)抑制恒星強光，在最終像面特定區域內獲得高對比度成像，使得暗弱的行星被成像到。

　　以中科院南京天光所研制的星冕儀為例，通過(guò)對望遠鏡瞳面光能量進(jìn)行調制，改變恒星最終圖像強度分布，使得目標探測區內的衍射光被有效抑制，行星從而得以直接成像；同時(shí)，任何微小的波像差都會(huì )在探測區域內產(chǎn)生散斑噪聲，同樣會(huì )影響“冷”行星被成像。對此，要精確修正來(lái)自星冕儀自身和望遠鏡前端每個(gè)鏡面不理想表面產(chǎn)生的波像差，對上述波像差修正精度均方根值要到千分之幾到萬(wàn)分之一波長(cháng)。

　　國際上認為，系外行星的未來(lái)探測趨勢，將從注重大數量發(fā)現轉入對行星自身物理性質(zhì)的全面和精細觀(guān)測。由于直接成像技術(shù)能夠獲取行星更重要的物理信息，未來(lái)空間旗艦任務(wù)都將開(kāi)展系外行星成像和光譜探測。

　　立足于探索高對比度星冕儀的新技術(shù)方法，竇江培團隊已攻堅克難十多年，目前在系外行星超高對比度成像技術(shù)和實(shí)測領(lǐng)域獲得突破性進(jìn)展，先后入選2009年度和2019年度 “十大天文科技進(jìn)展”。

　　研制首套“便攜式”系外行星成像儀

　　早在2000年左右，歐美國家就開(kāi)始提出并發(fā)展高對比度成像星冕儀技術(shù)。目標是發(fā)射儀器到太空搜尋質(zhì)量更小的類(lèi)地行星，并研究行星上面的大氣成分。當時(shí)，有多個(gè)大型空間類(lèi)地行星探測計劃問(wèn)世，如類(lèi)地行星搜尋計劃（Terrestrial Planet Finder，簡(jiǎn)稱(chēng)TPF）等。

　　我國率先開(kāi)展高對比度星冕儀技術(shù)研究的便是竇江培團隊，雖然于2007年開(kāi)始，起步較晚，他們卻并沒(méi)有重復國際上已有的技術(shù)路線(xiàn)，而是另辟蹊徑，在高對比度成像技術(shù)特定領(lǐng)域提出了一系列的創(chuàng )新理念。

　　團隊提出了有限帶光瞳調制新方法，創(chuàng )新地解決了原光瞳調制技術(shù)因研制難度過(guò)大、精度受限的實(shí)際難題；提出了大區域超高對比度成像新方法，首次將液晶空間光調制器用于星冕儀高精度像差校正，將成像探測區域提高數倍，顯著(zhù)提高了空間系外行星探測效率；提出了獨特的圖像旋轉處理技術(shù)新方法，將系外行星成像對比度在小角距離處提高一個(gè)數量級；并建造了國內首個(gè)系外行星超高對比度成像真空實(shí)驗室儀器，實(shí)驗成像對比度達到數十億倍。

　　基于上述重要技術(shù)積累，團隊研制成功世界首套“便攜式”系外行星探測系統，與國際4米口徑望遠鏡開(kāi)展聯(lián)合觀(guān)測，觀(guān)測到系外行星的清晰圖像，實(shí)現了我國系外行星直接成像探測零的突破。

　　一般來(lái)說(shuō)，天文學(xué)家只是使用現有的儀器，來(lái)獲取數據開(kāi)展科學(xué)研究，甚至不需要到天文臺站，僅通過(guò)觀(guān)測助手就能完成數據的獲取。竇江培團隊則需要把自主研制的成像儀器安裝到新的望遠鏡上，既要和望遠鏡開(kāi)展精密而復雜的聯(lián)調、定標和測試，又要對自己的儀器進(jìn)行很好的標校。

　　國際上4米級別望遠鏡的觀(guān)測時(shí)間競爭是非常激烈的，2014年，團隊終于憑實(shí)力申請到了歐南臺3.6米新技術(shù)望遠鏡的觀(guān)測時(shí)間。“這是我們團隊首次將研制的便攜式行星成像系統用于國際4米望遠鏡，也是團隊從研制儀器到邁向科學(xué)觀(guān)測的關(guān)鍵一步。”竇江培說(shuō)，團隊為了這次觀(guān)測做了大量的準備工作，憑借多年的技術(shù)積累和團隊的共同努力，最終拿到了預期的觀(guān)測結果。目前，團隊研制的地基系外行星成像儀實(shí)測成像對比度達到百萬(wàn)倍量級，達到了國際同類(lèi)儀器相當的水平。

　　打開(kāi)研究“冷”行星大氣光譜的窗口

　　由于受地面大氣影響和現有技術(shù)限制，目前科學(xué)家在地面觀(guān)測發(fā)現的均為形成中的年輕“熱”行星，還不能探測有效溫度接近百K的“冷”行星。為了向人類(lèi)搜尋系外生命更進(jìn)一步，竇江培團隊一直謀劃將研制的星冕儀“搬”到天上去。

　　2018年4月，中國載人空間站巡天空間望遠鏡向國內征集新的天文科學(xué)載荷，竇江培團隊很快提出了對類(lèi)太陽(yáng)恒星周?chē)南低狻袄洹毙行侵苯映上裉綔y計劃——“空間站系外行星成像星冕儀”項目。2019年6月通過(guò)立項后，2020年10月，項目已順利通過(guò)方案研制轉初樣評審。

　　與原有載荷相比較，新增的科學(xué)載荷立項晚、時(shí)間緊、任務(wù)重。但整個(gè)團隊信心十足，因為這一項目背后，凝聚了團隊超過(guò)十年的技術(shù)儲備作為支撐。

　　最初，團隊只有一間空空如也的實(shí)驗室；后來(lái)，逐步建立起國內首個(gè)系外行星探測技術(shù)實(shí)驗室和空間類(lèi)地行星超高對比度成像實(shí)驗室。最初，研究所自籌科研經(jīng)費；后來(lái)，逐步獲得國家自然科學(xué)基金多個(gè)重點(diǎn)項目、中國載人空間站工程項目、中科院項目基金等上億經(jīng)費的資助。最初，團隊從摸索十萬(wàn)倍實(shí)驗成像對比度的新技術(shù)新方法開(kāi)始研究；后來(lái)，實(shí)現了更大探測區域內高達數十億倍對比度這一國際先進(jìn)指標……

　　“這些都得益于國家對基礎研究領(lǐng)域持續的投入和支持，得益于研究所對前沿課題的前瞻布局和提前謀劃，得益于團隊團結協(xié)作和不懈的努力。”竇江培說(shuō)，正是基于十多年的積淀，才獲得了空間站科學(xué)載荷項目的立項。

　　目前，“星冕儀”的上天計劃正在有條不紊地進(jìn)行，它將成為國際首臺在類(lèi)太陽(yáng)型恒星周?chē)上裉綔y“冷”行星的科學(xué)載荷，有望打開(kāi)研究“冷”行星大氣光譜的窗口，為未來(lái)發(fā)現“地球2”奠定重要基礎，從而推動(dòng)我國在空間天文、空間高技術(shù)領(lǐng)域和行星科學(xué)方面處于國際領(lǐng)先地位。

　　人類(lèi)在宇宙中是否孤獨？對這一基本問(wèn)題給出科學(xué)回答，是眾多天文科學(xué)家一生追求的夢(mèng)想。

　　竇江培預測，未來(lái)十年，人類(lèi)有望搜尋圍繞類(lèi)太陽(yáng)恒星宜居帶內的地球質(zhì)量的行星系統；未來(lái)二十年，有望突破類(lèi)地行星超高對比度成像和后續光譜探測能力限制。“科學(xué)家將通過(guò)直接成像獲取類(lèi)似地球質(zhì)量的行星的圖像，進(jìn)而通過(guò)光譜分析該類(lèi)行星大氣的成分，判斷生命特征信號的存在。一旦確認系外生命信號，將最終挑戰‘人類(lèi)在宇宙中的位置’，即地球不再是宇宙存在生命的中心。”

　　本報記者 蔡姝雯

　　通訊員 鄭 健 高曉敏

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