空间系外行星探测与研究进展

系外行星学科是近30年来迅速发展起来的一门新兴学科. 其主要研究内容和目标包括, 通过发展各种探测技术探测太阳系外行星, 分析行星轨道、成分、大气性质, 评估行星的宜居性, 统计行星的分布规律, 从理论和观测上揭示行星系统的形成和动力学演化机制. 系外行星的研究对于回答宇宙中是否存在其他生命以及人类在宇宙中的地位和意义等问题具有重要意义. 随着21世纪空间探测技术的发展, 系外行星的研究进入了崭新及快速的发展阶段. 本文分析了系外行星研究领域的发展态势, 凝练中国在系外行星未来空间探测发展的重点领域, 优化学科布局, 以推进系外行星研究的快速稳步发展.     

7天连续发现5颗系外行星——系外行星探测进入一个新时代

今年8月25日～8月31日是全世养天文学家倍感兴奋的7天．在短短一周时间内．欧洲和美国的天文学家相继报告发现了5颗新的太阳系外行星．而且其中一颗是使用业采天文爱好者的小望远镜发现的．如此高密度的新发现标志着太阳系外行星搜寻活动已经进入了一个新时代。     

系外行星探索与发现

正绿岸射电望远镜绿岸射电望远镜是地球上最大的全动射电望远镜,位于美国西弗吉尼亚州绿岸山区,这里四周被群山环绕,有助于阻挡这个射电望远镜以外的无线电波。绿岸射电望远镜大约43层楼高,重7700吨。其中,碟形天线活动表面长110米、宽100米,由2000多块小型反射板组成,所获数据量可以达到每秒1千兆字节,就扫描频率范围而言,是\"阿雷西博望远镜\"的300倍。     

近邻宜居行星巡天计划: 利用空间天体测量法寻找下一个“地球”

近邻宜居行星巡天计划(Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES)采用空间微角秒级别的高精度天体测量技术, 普查太阳系近邻(10 pc内)约100颗FGK等类型恒星, 探测宜居带类地行星或超级地球; 详细普查宜居行星的数目、真实质量和三维轨道等信息, 这将是国际上首次近邻宜居带类地行星的空间探测任务. CHES的有效载荷是一台口径为1.2 m, 视场为0.44°×0.44°, 焦距为36 m的高像质、低畸变、高稳定光学望远镜, 采用同轴三反TMA光学成像系统. 为实现宜居带类地行星探测, CHES任务中的测量精度为1 μas, 是目前国际测量精度最高的空间探测项目. 在空间科学先导专项背景型号项目的支持下, CHES团队深入凝练和论证科学目标, 成功突破了三项关键技术难题: 实现了畸变大视场高像质空间望远镜光学系统技术的重要突破; 突破了10^–5 pixel级别星间距测量技术; 实现了卫星系统高稳定度姿态控制精度及热控精度的创新. CHES预计发现50颗类地行星, 引领中国空间科学探测技术的跨越式发展.     

新！适居带系外行星“周期表”

提供类地行星各种数据的知名网站数量不少。过去,这些网站罗列出所有已知的类地行星数据,不管它是刚被发现或是已通过多重确认,无论其是否符合人类适居性高低评比,只要是类地行星,统统一网全搜。最近,波多黎各大学一个专门研究“适居带类地行星”的实验室PHL在网络上公开了一份新目录．它的入围标准相当有趣,只列出目前已确认为可能适合人类居住的类地行星,范阿相对缩小,对普通大众、科学家和科学教育人员而言,相对也好用很多。     

反向电集流出现率与大气准两年振荡

本文分析印度Trivandrum地磁台的约两个太阳黑子周期的地磁场水平分量小时值。在部分地消除了太阳黑子周期及一年周期变化后,发现了反向电集流出现率的QBO调制现象:QBO东风相反向电集流出现率增加;QBO西风相反向电集流出现率减小。据此讨论了反向电集流的形成机制,认为大气行星波在其上传过程中与太阳半日波或太阴半日波的相互作用,有可能导致两种半日波的放大和相位移动,并最终导致反向电集流的出现。     

1980年中层大气温度波空间特征的初步分析

利用1980年Nimbus-7卫星网络点资料(温度场)对中层大气行星波的空间结构进行诊断和分析后发现,行星波扰动主要集中于冬半球,夏半球及赤道地区上空的扰动则相对较弱,但也不可忽视.冬半球行星波扰动中的瞬变波部分可以跨过赤道向夏半球传播,且传播主要集中于20kin和70km两个高度层附近.波数1冬季以准定常行里波为主,夏季瞬变行星波与准定常行星波波幅相当.行星波扰动的波幅从冬到夏的衰减主要表现在波数1和波数2上,波数3变化不大.      

中层大气行星波的跨赤道传播

使用一个全球原始方程半谱模式,模拟了行星波的跨赤道传播。结果指出:冬半球对流层顶附近准定常行星波的幅度起伏和相位变化,可以造成中层大气行星波的跨赤道传播,并且在夏半球形成瞬变行星波。所得结果为中层大气行星波的跨赤道传播、夏半球行星波的形成和南北半球之间的耦合提供了一种物理机制。     

金星火山与气候探测任务

金星火山和气候探测任务（Venus Volcano Imaging and Climate Explorer,VOICE）聚焦金星火山与热演化历史、水与板块运动、内部结构和动力学、气候演化和生命信息探索等重大科学问题,提出采用极化合成孔径雷达（Polarimetric Synthetic Aperture Radar,PolSAR） 、下视与临边结合的微波辐射探测仪（Microwave Radiometric Sounder,MWRS）和紫外–可见–近红外多光谱成像仪（Ultraviolet-Visible-Near Infrared Multispectral Imager,UVN-MSI）等三个先进的有效载荷,在350 km圆轨道上对金星全球表面和大气联合探测。 PolSAR将对金星全球表面进行高分辨多极化雷达成像;MWRS将对金星全球云下大气的热力结构和化学组成,云中可能的宜居环境及与生命相关大气成分进行探测;UVN-MSI则实现大气全貌成像、表面光谱成像和闪电检测。通过多种先进探测载荷和技术手段的结合,VOICE任务将揭示金星构造热演化历史和超温室效应机理,探索其宜居性和生命信息。VOICE任务的实施将实现国际金星研究探索中许多“零”的突破,为理解行星宜居性和太阳系演化提供极为关键的观测支持,对提升中国在国际深空探测与空间科学研究中的地位产生重大影响。     

有大气行星悬飞探测初步设想与可行性探讨

提出了一种有大气地外行星悬飞探测方式,该探测方式是利用被探测天体存在大气的环境特点,实现探测器在被测天体的\"飞行\"机动,克服目前已有的环绕探测、着陆探测、巡视探测和采样返回探测四类无人深空探测方式受地形、地貌约束无法实现大范围机动就位探测的不足。提出了悬飞探测器的典型任务工作模式设想,建立了悬飞探测器的六自由度动力学模型,并针对太阳系内典型的有大气行星环境(火星和土卫六)特点,给出了悬飞探测器的动力学特性并开展了仿真分析。在此基础上,首次提出了悬飞探测器的可行性约束系数,为悬飞探测器在深空探测的可行性研究提供了理论依据。     

Strategies for detection of putative life on Europa

Planned future exploration missions to the Jovian satellite Europa have a strong astrobiological motivation. Characterization of the potential habitability of the liquid water environments, and searching for life signals are the main astrobiological objectives of these missions. To meet these objectives specific strategies and instrumentation are required. Here we discuss some scenarios for the development of Europa potential biospheres. These scenarios are based on assumptions of the life similarity concept and knowledge about terrestrial life in extreme environments. Since the potential habitable environments on Europa are in the interior of the satellite it is not possibly to directly detect life. However, there are processes that link aqueous sub-surface environments with the near-surface environment, such as tectonism or magmatism. Therefore, by analysing endogenous materials that arise from the interior it is possible to make predictions about what is in the sub-surface. We propose some measurements and instrumentation for future missions to detect biosignatures on the upper layers of Europa, including the simple physico-chemical traces of metabolism to complex biomolecules or biostructures. Raman spectroscopy or biosensor technologies are the future for in situ exploration of the Solar System.     

Return to Europa: Overview of the Jupiter Europa orbiter mission

Missions to explore Europa have been imagined ever since the Voyager mission first suggested that Europa was geologically very young. Subsequently, the Galileo spacecraft supplied fascinating new insights into this satellite of Jupiter. Now, an international team is proposing a return to the Jupiter system and Europa with the Europa Jupiter System Mission (EJSM). Currently, NASA and ESA are designing two orbiters that would explore the Jovian system and then each would settle into orbit around one of Jupiter’s icy satellites, Europa and Ganymede. In addition, the Japanese Aerospace eXploration Agency (JAXA) is considering a Jupiter magnetospheric orbiter and the Russian Space Agency is investigating a Europa lander.     

空间里的时间:微重力等环境下的生物节律研究

生物钟是地球上的生物为适应环境周期性变化经历长期演化而来的内在机制.在分子水平上受生物钟基因及其他相关基因的调节;在组织水平上,生物钟由主生物钟和外周生物钟组成.生物钟对于各种生物的生理、认知和行为等具有重要功能,是生物适应环境的决定因素之一.空间环境下的微重力、辐射、光照条件、社会性因素等与地面存在很大差异,这些因素均可能导致节律紊乱,影响生物的生理及环境适应性.因此,对地外生命的研究也应该考虑生物钟因素.对航天员而言,节律紊乱可引起睡眠障碍,并且对骨肌系统、神经系统、心血管系统及内分泌系统等造成不利影响,导致人的认知和工效水平下降.在未来空间生命探索以及航天员健康保障研究中,生物钟是一个不可忽视的重要因素.     

The planetary–exoplanetary environment: A nonlinear perspective

A review of the fundamental physical processes in the planetary–exoplanetary environment is presented, with emphasis on nonlinear phenomena. First, we discuss briefly the detection of exoplanets and search for radio emissions from exoplanets. Next, we give an overview of the concepts of waves, instabilities, chaos and turbulence in the planetary–exoplanetary environment based on our present knowledge of the solar-terrestrial environment. We conclude by discussing cyclotron masers and chaos in nonthermal radio emissions in the planetary–exoplanetary environment.     

A facility for simulating Titan’s environment

As a result of measurements acquired by the Cassini–Huygens mission of Titan’s near surface atmospheric composition and temperature, Titan conditions can now be simulated in the laboratory and samples can subsequently be subjected to those conditions. Titan demonstrates an active hydrological-like cycle with its thick atmosphere, dynamic clouds, polar lakes of methane and ethane, moist regolith, and extensive fluvial erosive features. Unlike Earth, Titan’s hydrological-like cycle likely involves several constituents, primarily methane and ethane. Here the properties of a new Titan simulation facility are presented, including conceptual methodology, design, implementation, and performance results. The chamber maintains Titan’s surface temperature and pressure, and the sample cryogenic liquids undergoing experimentation are condensed within the chamber itself. During the experiments, the evaporation rates of the sample liquids are directly determined by continually measuring mass. Constituents are analyzed utilizing a Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), and vapor concentrations are determined using a gas chromatograph fitted with a Flame Ionization Detector (FID). All pertinent data is logged via computer. Under laboratory conditions, the direct measurements of the evaporation rates of methane, ethane, and mixtures thereof can be achieved. Among the processes to be studied are the effects of regolith on transport from the subsurface to the atmosphere, the freezing point depression effects of dissolved nitrogen, and the solubility of various relevant organic compounds.     

搜寻第二个地球——系外地球(ET)巡天计划

系外地球科学卫星(ET)将通过采用空间大视场超高精度测光这一关键技术在国际上率先突破生命起源中的系外地球存在及其演化这一重大前沿科学问题. ET卫星将在日地拉格朗日L2点晕(Halo)轨道部署由6台广角凌星望远镜和1台微引力透镜望远镜构成的空间天文台, 结合凌星法和微引力透镜法, 利用空间超大视场和超高精度的光学测光观测, 首次发现富有重要意义、被广泛关注的系外地球, 并确定其发生率, 对目前了解甚少的类地行星和流浪行星进行国际上第一次大规模的种群普查, 首次发现流浪地球, 并确定其发生率, 揭示类地行星和流浪行星起源, 为地外生命探寻提供候选者和新方向. ET卫星的观测结果、统计研究以及和对理论的检验将回答系外地球在宇宙中有多普遍, 类地行星是如何形成和演化的, 流浪行星又是如何起源的这些亟待解决的前沿科学问题. 对ET卫星发现的系外地球样本的后随观测, 将精确测量其质量、密度和大气成分, 有助于深入分析宜居性特征. 此外, 对ET新发现的大量各种系外行星样本的研究, 以及对理论的检验将推动这些种类的行星形成和演化规律的更深入认识, ET的大量高精度、高频次和长基线测光数据将推动星震学、银河系考古学、时域天文学、双星和双星黑洞等领域的研究.     

An ethical approach to planetary protection

What hazards might biological contamination pose to planets, comets and other celestial bodies visited by probes launched from Earth? What hazards might returning probes pose to Earth and its inhabitants? What should be considered an acceptable level of risk? What technologies, procedures and constraints should be applied? What sort of attitude has to be chosen concerning human crews, who themselves could become both contaminated victims and contaminating agents? The vast issue of planetary protection must, more than ever, spark ethical debate. Space treaty, COSPAR recommendations offer borders and context for this reflection, which has to be introduced in the actual humanist: never has been anthropocentrism so practical and concerned, in the same time, by the next generations, because of the historical character of life. At least an ethics of risk is necessary (far from the myth of zero-risk) for all the three types of contamination: other celestial bodies (forward contamination), Earth (backward contamination) and astronauts.     

大尺度行星波跨赤道传播的E—P通量诊断

利用Nimbus－7卫星温度探测资料,计算了平流层和中间层的风场、位势高度扰动场,进行了行星波E－P通量分析．结果表明,中层大气中的准定常行星波,其定常分量不能跨过赤道上空的零风线,由于其幅度的起伏和相位的变化,激发的瞬变行星波分量不受赤道零风线的限制,可以从冬半球向夏半球传播,也可以从夏半球向冬半球传播．这种跨赤道传播为夏半球行星波的能量来源提供了一种解释．