搜尋系外生命信號的天鄰計劃系列（II）_風聞

《天鄰》

王煒

茫茫宇宙，橫跨幾陔注1裏，混沌百億齡。

燦燦星空，恆星兆億顆，行星幾如影。

小小地球，生靈浩如煙，文明璨似錦。

唯一否？有鄰否？留待我輩來巡。

注1：《孫子算經·捲上3》凡大數之法，萬萬曰億，萬億曰兆，萬兆曰京，萬京曰陔。據此，陔為1024。已知目前宇宙直徑為8.8X1023公里，合1.76陔裏。

面對浩瀚宇宙，璀璨星空，人們總是好奇，生命是如何起源的？宇宙中是否存在“外星人”或者其他種類的生命？對這些問題的好奇，促使着我們在人類深空探測器或者望遠鏡所能及的範圍內尋找任何可疑的 “生命信號”，任何發現都能牽動科學家和公眾的關注和好奇，包括去年吵得熱鬧非凡的金星大氣中的疑似磷化氫信號，更別説相繼奔赴火星的阿、美、中三國的探測器，希望號、毅力號和天問一號，前兩個已先後順利着陸，而天問一號不緊不慢，按部就班，不爭一時之早晚，一邊環繞一邊拍全景照片，彰顯我大國風範及科研人員之戰略眼光。

圖1. 天問一號團隊（圖源：中國航天科技集團）

根據一篇發表在《天體生物學》雜誌的綜述文章，生命信號被定義為“提供生命存在證據的任何現象，物質或一組物質”。按照我們所熟知的生命形式，它可以是大氣中的氣體，包括但不限於氧氣（O2）， 臭氧（O3），水（H2O），甲烷（CH4），磷化氫（PH3）, 一氧化二氮（N2O）和氯甲烷（CH3Cl），也可以是行星表面上的物質或現象，如植被、嗜鹽菌或地外文明發射的電磁波、探測器乃至設想中的可以捕獲大部分母星能量的戴森球等。

圖2. 科學家弗里曼·戴森提出奇思妙想，將太陽做成一塊電池，便可以源源不斷接收其大量的能量，並且這個任務有一個響噹噹的代號，叫做宇宙戴森球計劃。（圖源：網絡）

關於後者，不得不提一顆奇特的恆星KIC 8462852，暱稱為WTF（where is the flux）天體，因其匪夷所思的亮度變化（圖3），曾有猜測光變可能由戴森球引起。

圖3. Kepler衞星早期獲得的KIC 8462852的光變曲線，酷似恆星連續譜加吸收線（圖源：Boyajian et al. 2016）

儘管火星、木星的幾個衞星比如歐羅巴等太陽系天體或曾經或可能孕育生命，但到目前為止，地球是太陽系內唯一已知存在生命的星球。於是，天文學家將目光投向了太陽系之外，試圖在更廣袤的宇宙中尋找生命存在的證據。

從1995年發現的第一顆圍繞類太陽恆星的系外行星至今，人類發展了許多尋找太陽系外行星的巡天項目，業已發現了4000多顆系外行星，其中不乏一些與地球類似的行星，處於宜居帶的類地行星。所謂宜居帶，指的是行星系（類似於太陽系）中適宜生命存在的區域，天文學上的判據是位於此區域中的行星温度適宜、能允許液態水的大量存在。這些宜居帶類地行星就像是宇宙中的“新大陸”，是人類探索生命信號的主要目標。

圖4. 著名的“葫蘆娃”行星系統的藝術想象圖。主星是紅矮星TRAPPIST-1，距離地球41光年。它有7顆行星，其中3顆位於宜居帶之中。（圖源：ESO/M. Kornmesser.）

可惜的是，目前發現的60顆宜居帶類地行星，它們的“太陽”大部分是紅矮星（M型矮星），這些恆星質量小，温度低，恆星很活躍，留給行星發展和維持生命的時間一般不會長久，因此不是我們的首要探索目標。只有5顆行星，依附於與太陽較為類似的GK型矮星，或許可以支撐生命乃至文明的發展。遺憾的是，它們距離地球900光年以上，遙不可及，把39米的ELT搬到天上也難以捕獲其大氣分子信號，而在可以預見的50年內，幾乎不可能建造這麼大的空間望遠鏡。

“距離產生美”這句話，在觀測天文學上是絕對不成立的，在與信噪比的鬥爭中，距離只會給我們帶來麻煩和絕望。

幸運的是，經過對巡天數據的統計分析，有兩個重要結論使得我們不是那麼絕望。其一，大部分行星都身材嬌小，預計大部分都是岩石類行星；其二，平均來説，每顆GK型主序恆星（温度3900-6300K左右）周圍有0.6顆類地行星，其中一半位於宜居帶。據此估計，最近的GK恆星宜居帶類地行星應該據地球不到20光年，32光年以內應該有大約4顆宜居帶類地行星。也就是説，在太陽系鄰域，還是有一些探索空間的。

圖5. 宜居帶類地行星開普勒452b假想圖與地球比較示意圖（圖源：NASA/Ames/JPL-Caltech）

目前，對行星大氣的觀測主要依賴於大口徑的地面望遠鏡和空間望遠鏡，而地面望遠鏡不可避免地會受到地球大氣的影響，且有天氣變化和晝夜更替，難以對凌星時間長於8小時的宜居帶類地行星實現極高精度（優於10-6）的觀測。因此，美國和歐洲先後計劃了一系列空間望遠鏡項目，如CHEOPS，JWST，WFIRST，ARIEL，HabEx，LUIVIOR等。對這些項目的介紹，可參見筆者發表於《中國國家天文》2020年第6期的拙作《系外行星研究空間項目》。

圖6. JWST和哈勃望遠鏡的大小對比（圖源：Space·E.com）

在這種情況下，我們提出了雄心勃勃的天鄰計劃（HABITATS，HABItable Terrestrial planetary ATmospheric Surveyor），一個專用於研究系外行星大氣的空間望遠鏡項目。它將站在前人巡天成果的肩上，通過光譜觀測獲取大量信息，提高人類對於行星性質的瞭解，探索宜居帶超級地球和類地行星的性質，搜尋可能的生命信號，開啓人類研究行星、認識宇宙的新篇章。

計劃中的天鄰將是口徑大於4米的輕量型空間望遠鏡，服役於150萬公里以外的日地L2軌道。L2軌道可以提供極佳的動力學穩定性和熱環境穩定性，以及對單顆星長時間連續觀測的能力。天鄰將採用單鏡面離軸三鏡系統，計劃包括高穩定度指向成像傳感器、高對比度星冕儀、紫外到光學波段的高分辨率光譜儀和近紅外波段的低分辨率光譜儀等4個主要天文設備。計劃應用簡單成熟的光學系統，設計時將盡量減少可移動部件，從而大幅降低本項目的風險，提高設計運行壽命。同時這樣穩定的系統將擁有非常高的穩定度和精度，使得觀測類似太陽-地球這樣的宜居帶行星系統成為可能，而通用大型空間望遠鏡包括JWST難以做到。

圖7. 天鄰計劃概念圖（圖源：作者）

天鄰將專注於觀測太陽系附近的G型星或K型星系統。它將對行星系統進行長達幾十到幾百小時的長時間、多波段（包括紫外、可見光和近紅外波段）觀測，利用凌星光譜法、次食光譜法或直接光譜法獲得各類行星尤其是岩石類行星大氣的光譜，研究行星大氣的温度、結構和組成，分析行星大氣或表面上可能存在的生命信號。在5年的服役壽命期間，預計可獲得10個以上宜居帶類地行星的光譜，並通過這些光譜來判斷行星中是否有生命信號。

什麼信號可反映或暗示生命的存在呢？一般認為，水和氧氣是非常重要的生命信號，一般認為有大量液態水的環境下才會誕生生命，氧氣是厭氧生物的產物，是嗜氧生物的賴以生存的基礎。但是，二者的存在並不意味着一定有生命存在，非生物的機制也可大量產生水和氧氣。如果想要比較肯定地確定生命特徵的存在，綜合考慮一些副產物分子是十分必要的，比如臭氧和甲烷。因此，天鄰主要探測的目標分子信號有水、氧氣、臭氧和甲烷。

除此之外，行星表面的一些其他信號或許能更直接的表徵生命的存在，例如植被和細菌產生的依賴於波長的強反射信號。如果行星的表面被這些“生物顏料”所覆蓋，行星反射光將會隨着波長而改變，因此可以通過觀測行星反射光來判斷星球表面是否覆蓋了大量的植被或者細菌。顯而易見，觀測星球表面的生命信號有個前提，需要系外行星的天氣夠好，沒有厚厚的雲層或霧霾。

眾所周知，類似天鄰這樣的大型項目，有許多前期調研和預先研究工作要開展。感謝中科院空間科學先導專項和空間科學研究員國家天文台培育項目，我們已開展了前期科學預研工作，結合行星大氣理論光譜和觀測噪聲估計，通過建模，初步研究4米級望遠鏡搜尋系外生命信號的可行性。初步分析，4-6米級專用空間望遠鏡，如能滿足我們提出的對儀器設備和探測器的要求，可以在項目服役期內成功探測到孿生地球（類太陽恆星附近的宜居帶類地行星）大氣中的水分子。

到目前為止，天鄰計劃還只是初具雛形。在接下來的工作中，還需攜手其他單位，分析其它空間項目的優缺點，取長補短，完善儀器設備的設計，形成成熟且穩定的設備方案，挑選完備且適合的觀測樣本，並開展相關論證和成果預測。

天鄰是一個雄心勃勃、力圖趕超國際水平、挑戰世界難題的項目。僅僅其4米以上的口徑，服役的L2軌道，嚴格的姿態控制和温度控制等要求，也可以想象此計劃的難度及可觀的造價。特別是對於我國來説，缺乏足夠的經驗和相關技術，或許會讓此項目步履闌珊。幸運的是，中國空間站2米巡天望遠鏡將為我們提供寶貴的經驗，而且近年來我國大型運載火箭技術和空間技術等關鍵技術方面的穩步提高，各種新技術層出不窮，日新月異，攻克天鄰計劃的各項技術難題或將指日可待。

圖8. 突破聆聽項目總部位於加利福尼亞大學伯克利分校，主要從西弗吉尼亞的綠岸望遠鏡（右）和澳大利亞的帕克電波望遠鏡（左）處收集數據。（圖源：網絡）

不得不提，除了利用光學紅外波段空間望遠鏡探測行星中的光譜信號，還可以主動或者被動的方式，搜尋太陽系以外天體的異常射電信號，比如著名的搜尋地外文明計劃（SETI，Search for Extra-Terrestrial Intelligence）計劃和突破聆聽計劃（Breakthrough Initiatives），儘管到目前為止收效甚微。考慮到生命尤其是智慧生命的存在時間非常短暫，地球生命可以主動產生射電信號的歷史不足百年，而沒有智慧生命就很難有可探測的射電信號，因此需要更多的時間和耐心。我國天眼FAST望遠鏡也加入了這兩個項目，並因其超高的靈敏度和大視場，成為主力軍。

圖9. 中國天眼FAST望遠鏡（圖源：網絡）

尋找和研究宜居帶類地行星，探索生命信號的直接或間接證據，是本世紀天文學極為重要的課題。天鄰計劃，是我國探索星辰大海極為重要的一步，作為深空巨眼，可與天眼攜手，一天一地，一光一波，靜靜搜尋光年以外的生命信號。

無論我們是否能找到系外生命的線索，這樣的工作都具有重要而長遠的意義。

“海內存知己，天涯若比鄰”。期待天鄰計劃能夠尋訪到人類在宇宙中的鄰居，雖距離遙遠但親善如友鄰，如知己。

作者 · 簡介

**王煒，**國家天文台研究員，現任中科院南美天文中心副主任，主要研究太陽系外行星，負責推動天鄰計劃。參與撰寫天文專業書籍《現代天體物理》和天文科普書籍《觀天者説》。

歐陽青林，國家天文台2020級在讀博士生，研究方向為太陽系外行星，主要利用觀測數據分析系外行星的大氣成分和性質。