本文来自微信公众号：经济观察报 （ID：eeo-com-cn），作者：宋笛 沈怡然，题图来自：视觉中国


“我们的搭载小卫星也可以叫微信，如果马化腾愿意资助的话。”中国科学院上海天文台讲席教授葛健说，葛健将作为主讲嘉宾出席11月26日举行的2022未来科学大奖周科学峰会。


这个设计重量为40公斤，名为pathfinder的小卫星计划在明年底通过搭载其他科学卫星的发射进入地球轨道，来验证CMOS探测器可否在太空环境中完成人类首次的恒星超高精度测光。如果验证成功，这款探测器将会加入一个大项目：地球2.0科学卫星。


“地球2.0”项目是一个由中科院资助，中科院上海天文台发起的系外行星巡天卫星科学观测项目，葛健是项目的牵头人。项目计划发射一个到日-地拉格朗日L2点轨道处的、由6台凌星望远镜和1台微引力透镜望远镜载荷的科学卫星，并在持续4年中，凌星望远镜将凝视观测120万颗以上的类太阳恒星，并从其探测到的3万多个系外行星中，筛选出“另一个地球”，即“地球2.0”。


当然“地球2.0”不会和我们的地球一模一样，但它们必须符合一些关键条件，比如大小约在地球大小的0.8倍～1.25倍的范围内，拥有岩质固体表面，并处在一个恒星系中的适合居住（有液体水存在）的位置，这些条件意味着这颗行星可能具有生命，或者适宜生命生存。


即使抛开宇宙移民这种科幻般的计划，找到这样的行星也有更加现实的意义，地球2.0是我们为地球在宇宙中找到的一面“镜子”，通过对它的观察，我们可以更深刻地理解我们赖以生存的这颗星球，它的诞生、现状以及莫测的未来，而在其中形成的技术工程能力，也将被应用于其他领域，包括商业用途。


这当然是一个极具挑战的计划，涉及一系列复杂的技术问题，此前的探路者是美国于2009年发射的开普勒科学卫星计划，开普勒在近十年的运营中，发现了5000余颗系外行星候选者，经审查确认了2000余颗。


如今，葛健希望中国能够接过这一棒。


从2019年立项以来，海内外80余个科研单位，400多名科研人员加入了这一项目，其中还包括上述美国开普勒计划的项目科学家，Steve Howell博士，项目目前已通过第二轮工程立项评审，就等科学院正式批准，然后进入卫星工程项目立项综合论证。


但由于时间紧迫，葛健的团队还没来得及从政府相关基金渠道筹集足够的资金，支持这个关键卫星科学观测能力的在轨验证。现在，他开始寄望中国亿万富翁们的资助。“这个事情可以名留青史。”葛健鼓动道。


葛健曾在2004年～2020年任职美国佛罗里达大学终身教授，在他整个科研阶段，美国富豪的私人捐助曾数次支撑了其科研进展。


他算过账，第一步需要1500万元人民币。


一、项目源起


2018年，中科院上海天文台邀请葛健访问。在访问过程中，葛健发现上海聚集了一批颇具实力的空间技术的科研机构，涉及卫星、光学、仪器等诸多领域，葛健给出的建议是“可以把空间技术利用起来，向空间发展”。一年后，葛健向上海天文台提及了一个想法——“宽视场开普勒计划”，这个计划成为了“地球2.0”的起点。


2019年9月下旬，尚在美国的葛健接到了来自中科院联系人的微信，催促他查收一则两天前就已经发出的信息。联系人告诉葛健，中科院的一个项目可以给这个想法提供机会，需要一份申请。


葛健迅速行动起来，在十几天的时间中组织起一批涵盖数十人的国际科研团队，快速地赶出了这份申请，并很快获得了中科院先导经费的支持。


观测行星的难度要远大于观测恒星，行星体积远小于恒星且只能依靠接收和反射恒星的极小部分光线来发光。目前利用太空望远镜观测行星主要采用“空间凌星法”，“凌星”是指行星运行至恒星面向地球的一侧发生的挡光现象，高精度探测器可以通过“凌星”时，恒星亮度的微弱变化来探测到行星。


这意味着，要找到系外行星，需要观测恒星，而要进一步找到地球2.0，需要观测很多恒星。


在2019年的一次关键的论证会上，与会专家问了葛健一个关键的问题，“找到一颗地球2.0的概率有多大？”


“如果计算概率，至少要观测约2000颗类太阳恒星才能找到一颗地球2.0。”葛健说。


要完成这一观测量，望远镜需要更广阔的视场和更稳定持久地运行。2009年发射的开普勒计划尽管取得了诸多突出成果，首席科学家William Borucki并因此获得了2015年的邵逸夫科学奖，但在探测其核心科学目标，发现“地球2.0”难言成功。


其中有两点经验：第一是开普勒计划视场较小，仅有100平方度，视场是指望远镜能够观测到的天空范围，较小的视场意味着更低的观测效率；第二点是设备稳定性出现问题，导致运行四年后，用于调整望远镜观测动作及轨道定位的两个轮子开始陆续出现问题，后续四年的运营实际上已经无法稳定的指向预定的天区。


“地球2.0”卫星，即从开普勒的失利出发，进一步拓宽望远镜的视场，完成更有效的行星探测。


“地球2.0”卫星将携带7台望远镜，任务期为4年。其中6台望远镜将携手观测天鹅座和天琴座附近的天区，6台望远镜的视场扩大至500平方度，相较于开普勒视场提升5倍，同时采用了更加敏锐的CMOS探测器。这样就可以保证项目能够观测到至少4万颗适合搜寻地球2.0的系外太阳，经过四年观测，预计可以发现约20个地球2.0。


二、全球合作


截至11月，“地球2.0”项目已经完成卫星立项工程论证，从8月份开始，葛健的团队就着手设计用来验证CMOS探测器的实验卫星。


CMOS探测器是整个项目的关键环节，也是这次项目的创新之处之一，葛健认为，CMOS探测器拥有更高的测量精度，寄望于通过更具精度的传感器感受到凌星时恒星光亮的微弱变化，但CMOS探测器还缺乏太空环境的实际验证。


CMOS探测器的制造商是国内企业长春辰芯。在2022年7月参加一次国际天文仪器和技术大会时，葛健发现美国和欧洲的一些实验室也正在考虑使用这款新型的探测器。


中国正在提升的技术能力为“地球2.0”项目提供了支撑，比如在去年发射的验证卫星中已经成功验证了项目所需要的一项姿态控制的关键技术。在葛健的论证中，项目所需要的大部分技术和产品在国内都已趋成熟。


“这个项目的技术工程我们可以做到自主，剩下的就是国际上的科学合作。”葛健说，这种合作不仅包括顶级科学家的科学想法，还包括既有的观测数据和处理方法等。“科学是人类集体智慧的结晶，科研成果需要共同努力才能实现，不可能闭门造车。”


在“地球2.0”项目刚起步之时，葛健曾经组织过一次国际论坛，全球约200位科学家参加了此次会议。从2019年立项以来，吸引到了海内外80余个科研单位，400多名科研人员加入，其中包括德国普朗克天文学研究所所长，Hans Walter Rix博士、和国际著名星震学专家，日震学、星震学“教父”级人物，Jorgen Christensen Dalsgaard教授以及中国台湾地区叶永煊教授团队的加盟。


其中包括在NASA工作的开普勒卫星的项目科学家Steve Howell博士——这位科学家通过中国一所高校的教授联系到了葛健，最终也顺利加入了团队。


“寻找第二个地球，是人类的梦想，也是这位科学家的梦想。”葛健说。


三、呼唤私人捐助


1998年，葛健博士毕业后一路开挂，一年多时间获得助理教授职位，短暂过渡后于2004年就任职美国佛罗里达大学终身教授。在2018年，葛健和其团队曾因发现现实版的“瓦肯星”——科幻电影《星际迷航》中瓦肯人的母星——被国际媒体广泛报道。


这颗行星的发现有赖于位于亚利桑那州的达摩基金会天文望远镜（DEFT），项目的资金主要来源于一名富豪的捐助，捐助发生于一次巧合。


葛健的一名美国本科学生在当地一家有机食品超市兼职调酒师，一位顾客在与其闲聊时对葛健的科研表示出强烈的兴趣，这名顾客是美国一名鲜少在公共媒体中出现的企业家。


企业家参观了葛健的实验室，并邀请葛健参观他的企业，在葛健上车即将离去前，企业家问道：“我这里有一笔钱，你能干什么？”


“我这个人虽然傻，但在一开始去的时候已经想过这个问题了。”葛健告诉企业家，他要做一台世界上领先的视向速度测量仪。


企业家很快把钱捐到学校，学校则把捐款拨给葛健，进行视向速度测量仪的研发。


葛健利用一根大光纤和四根小光纤耦合的原始创新方式，保证了速度测量仪的精度达到彼时世界的最高水准，同时成本和尺寸又仅有当时世界领先的HARPS速度测量仪的约四分之一，更小的尺寸意味着仪器更容易实现温控和真空运营环境。


“你这个仪器比我想象的好得多。”三年后，仪器要往天文台运输前，这位企业家对葛健说。


这位企业家此后还资助过葛健的达摩天文台项目，天文台望远镜来自另一所高校的退休教授，但天文台的建设、柏油马路的铺设都需要大量的资金。


葛健曾经提议以这位资助人的姓名命名望远镜，但资助人拒绝了，他更希望以基金会的形式出现，最终命名为达摩基金会望远镜（DEFT）。


在葛健海外的科研经历中，这种来自于企业家、富豪的个人资助并不是个例，诸如凯克基金会、斯隆基金会都曾经资助过葛健科研项目。


“我们教授，最爱干的事情，就是raisemoney（筹钱）。”葛健说。


中国的企业、个人慈善捐助尚处于起步阶段，但政策已经开始探寻路径，2018年出台的《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》中已经提出“探索共建新型研发机构、联合资助、慈善捐赠等措施，激励企业和社会力量加大基础研究投入”。


一位科技体制研究者介绍，目前国内私人捐助制度上没有太大的障碍，只是企业家还没有这样的习惯和传统，少部分案例也集中在生物医药领域。目前，天文学领域，清华大学已获得了私人资助支持他们的6.5米望远镜项目建设。


葛健希望能够在“地球2.0”复制其在海外的经历。


比如，CMOS探测器的实验卫星设计已经完成，但建造、发射的经费尚未到位，如果要等待其他方面的经费，可能无法实现明年年底首次发射验证的计划，卫星制造、发射费用大约在1500万人民币。


此外，项目运行后，需要大量CPU核、内存、SSD硬盘，以及为满足神经网络计算需求的 GPU进行运算，但这部分属于科学应用系统，科学卫星项目一般能提供的经费支持不到实际需求的约1/3，葛健希望能通过别的渠道筹集足够的运算设备来支持我们的海量数据处理和分析，最大化地在大数据中挖掘大量的系外行星信号以及其他科学信号，让科学产出最大化。


如果有更多基金支持，葛健还希望能建自己的地面卫星信号接收和指令上传的观测站，以尽可能多地接收卫星观测的数据，同时能够快速上传更多的指令，有效获得更多有科学价值的数据等。


“好像说中国亿万富翁比美国都要多了，能不能呼吁一下大佬？”葛健说。


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