紫金山天文台等发布近邻宜居行星巡天计划观测策略

近期，中国科学院紫金山天文台领衔的科研团队围绕近邻宜居行星巡天计划（Closeby Habitable Exoplanet Survey，CHES）空间探测开展了先期研究，为近邻类日恒星的宜居带类地行星探测任务制定了观测策略。相关研究成果发表在《The Astronomical Journal》上。

2024年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了《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的“三步走”战略目标。该规划将“宜居行星”探测列为五大科学主题之一，指出“近邻宜居系外行星”为重要的前沿研究方向。

近邻宜居行星巡天计划将发射一个1.2米口径高精度空间天体测量望远镜，通过精确测量目标恒星与参考星之间微角秒级别的星间距变化，探测围绕100颗近邻类日恒星（距太阳系约 32 光年）周围宜居带的类地行星。CHES预计将首次发现近邻类日恒星的宜居带类地行星，实现从0到1的重大科学突破；将全面普查近邻行星的数目、真实质量和三维轨道等信息。该计划采用原创性技术路线，在宜居带类地行星探测方法上具有独特优势，相关研究将解答“近邻宜居系外行星的分布”、“地球是否唯一”及“行星如何成为生命摇篮”等重大科学问题。

针对CHES卫星发射后在日地拉格朗日 L2 点的运行情况，团队开展了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的观测策略与方案。此外，各目标恒星在探测任务周期内的观测时刻需科学合理分布，以保证探测的高效性。因此，观测策略的设计是验证任务可行性的关键环节之一。

科研人员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Halo轨道上运行5年。该任务设有两种观测模式：主要观测模式和重复观测模式。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。因此，观测策略将基于目标恒星在黄道坐标系下的分布进行设计（图1）。

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°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。在5年的任务周期内，望远镜的观测区域每年均有所变化，从而确保目标恒星在每年观测的时刻不同（图2），以便充分观测视差及行星轨道，这最终提高了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（图3），并进行了仿真观测与数据拟合，验证了该观测策略能够探测到宜居带类地行星的信号，并成功反演其轨道参数，从而证实了观测策略的可行性。

基于高精度的天体测量方法，CHES还能够探测X射线双星和黑洞候选体，揭示银河系的暗物质分布。进一步研究表明，在5年的任务周期内，累计有29220小时可用于科学观测，其中25120小时专用于CHES任务的近邻系外宜居行星探测，占总观测时间的86%。其余4100小时则可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。

该项研究得到中国科学院空间科学先导专项、国家自然科学基金重点项目资助。

图1 CHES任务目标恒星在黄道坐标系下的分布

图2 CHES任务目标恒星观测序列示例

图3 CHES任务仿真观测目标恒星HD 88230存在类地行星情形