0 引言
行星是宇宙中最普遍存在的天体之一，也是生命的载体。千百年来，人类从未停止过对行星的探索。1995年Mayor和Queloz发现类太阳恒星附近的第一颗系外行星[1]，标志着人类对行星系统的认识迈入了新阶段。该发现也获得了2019年诺贝尔物理学奖。
基于地球生命的起源和演化，行星宜居的必要条件之一是拥有液态水（即存在海洋），也就是说，行星表面要有合适的温度。在恒星辐射下，行星表面温度主要取决于行星与恒星的距离，同时也和行星大气的温室效应相关。行星系统中与恒星距离适中，可能存在液态水的区域称为宜居带（Habitable Zone）。宜居带的位置取决于主星的性质，主星亮度越大，辐射越强，宜居带越靠外，如图1 所示。对于类太阳恒星，宜居带的范围在0.99~1.70 AU之间[4]。
位于宜居带内只是行星宜居的必要条件之一，还有很多因素会影响行星的宜居性。例如，行星的大气特征，恒星的活动性等。其中，恒星活动时产生的耀发（flare）是影响宜居性的重要因素。由于恒星耀发80%的能量集中在近紫外波段，而紫外波段的光子可以驱动行星上的光化学作用，例如合成RNA分子[8]、破坏臭氧等，对地球上生命的产生、维持起到至关重要的作用。因此，监测恒星活动性，尤其是紫外波段的恒星辐射，是刻画行星宜居性的关键要素。但由于地球大气的散射作用，紫外线透过率很低，因此紫外波段的观测更适合在太空开展。
基于研究系外行星宜居性这一科学需求，我们提出了“紫瞳”卫星（Ultraviolet-Visible stEllar activitY and Exoplanet Survey satellite，UVEYES），拟首次在近紫外 可见光双波段开展恒星活动性监测与系外行星搜寻，揭示恒星活动特征和规律，并搜寻其宜居带的行星，朝着另一个地球的发现和刻画迈出关键的一步。
1 “紫瞳”卫星的科学目标和研究内容
“紫瞳”科学卫星，瞄准宜居行星探测这一重要科学问题，围绕何种恒星周围更宜居、宜居带内行星是否普遍、是否存在“另一个地球”进行设计和优化，是搜寻另一个地球的先驱者，有望找到红矮星周围的另一个地球。同时，紫瞳也为未来直接观测另一个地球的项目，如对我国计划中对宜居行星直接成像的“觅音”计划，美国的宜居世界天文台（Habitable Woulds Observatory, HWO）提供必要的先验数据支撑。
“紫瞳”科学卫星的三大主要科学目标包括：（1）恒星活动性监测，揭示恒星活动特征，限制宜居带行星的宜居性；（2）搜寻系外行星，尤其在红矮星周围寻找“宜居”的另一个地球；（3）系外行星大气刻画和质量确定，揭示恒星-行星相互作用。下面进行简述。
1.1 揭示恒星活动性特征
恒星耀发会产生大量紫外辐射。太阳物理的研究表明，同时进行多波段观测可用于研究耀发过程。恒星耀发表现出与太阳耀发相似的多波段相关性和能量分布，但是即使是类太阳恒星，很多参数也与太阳不尽相同，需要详细研究大样本的统计数据才可揭示恒星耀发与太阳耀发的异同。例如太阳是相对比较宁静的恒星，太阳耀发最大能量约为1032 erg。Kepler探测到部分类太阳恒星却可以发生超级耀发（单次耀发能量可以达到1036 erg，见图2 ）。此外，Kepler给出的类太阳恒星平均7天耀发一次（可见光振幅大于1%[9]），要探测不同恒星的多次耀发事件，需要长期监测恒星，积累有效数据。
此外，恒星活动引起的辐射变化和恒星抛射物质会影响行星大气，进而影响到系外行星的宜居性。目前对系外行星的宿主恒星缺乏活动性的多波段长期监测，尤其是在紫外波段。紫外辐射可以加热行星大气，破坏大气化学平衡（如臭氧等[10]），进而影响行星的宜居性。此外，研究近紫外波段对于了解恒星耀发期间发生的物理过程非常重要，有助于理解耀发期间紫外和光学波段释放能量之间的相互关系，揭示恒星表面能量爆发机制。
“紫瞳”针对上述恒星活动性的问题，主要开展了两方面的观测：（1）通过近邻（65光年内）类太阳恒星的双波段测光，刻画近邻类太阳恒星的双波段辐射特征；（2）长期监测大量恒星，探测恒星耀发时间，分析不同时标下的活动性。对近邻类太阳恒星的双波段辐射特征刻画，是后续干涉成像探测近邻宜居行星（如觅音计划）的基础。对不同类别的大量恒星进行观测，研究耀发频次、能量分布、长期趋势变化等特征，可以更好地理解恒星活动性的耀发规律和长期变化特征，也将有助于后续的系外行星搜寻和宜居带的刻画。图2 (a)为太阳光变曲线与某恒星光变曲线对比，说明太阳活动性较弱[11]。图2 (b)为Kepler探测到恒星KIC6034120一次超级耀发的光变曲线，耀发能量可达到3×1035 erg，使得该恒星周围的“宜居带”未必宜居[12]。
1.2 搜寻红矮星周围的“另一个地球”
现有的行星形成理论认为，宜居带内普遍存在类地行星，只不过受观测条件限制，这些行星很难被人们观测到。类太阳恒星周围的宜居行星，周期长，观测精度要求高，即使Kepler观测4年，也很难发现“另一个地球”。而红矮星半径小、温度低，宜居带更靠近主星，其行星发生凌星时信号也更强。对于表面温度在3000 K左右的恒星，宜居带内行星公转周期约为50天。因此，红矮星的宜居行星更容易被搜寻到。目前凌星法和视向速度法探测到的宜居带内类地行星大多位于红矮星（M型恒星）周围，如图3 所示，红矮星的宜居带距离主星很近，周期较短。在太阳系近邻100 pc（1 pc=3.26光年）以内，观测到的宜居行星也大多位于红矮星周围（V波段星等小于15）。
图 3 M、K、G型恒星周围的典型宜居带范围（a）和已知宜居带行星主星质量和距离的分布图（b）（图片来源://chandra.harvard.edu）注：黑色虚线表示TESS探测到的宜居行星的红矮星大多亮于13等，而紫瞳可以探测到更暗弱的恒星（黑色实线），有能力对15 pc内类似Trappist 1（M8）的红矮星周围的行星系统进行探测。Fig.3 (a) The typical range of habitable zone around M, K and G type stars; (b) The distribution of mass and distance of known habitable planets' host stars (image source: https://chandra.harvard.edu) |
“紫瞳”将在数十万颗红矮星周围发现一批类地系外行星，并对红矮星周围宜居带内类地行星的出现概率进行估计。与TESS卫星（口径10 cm）相比，紫瞳口径（等效50 cm）更大，探测星等更深，可以在类似Trappist-1这样的M8恒星周围探测类地行星。与此同时，结合紫外波段数据监测红矮星的活动性，有助于限制恒星周围的行星宜居性，找出相对宜居的行星，为其他直接观测“另一个地球”的项目提供先验信息。
1.3 刻画热木星大气
行星大气在紫外波段受SH、TiO、VO、FeH等特殊分子吸收、极端瑞利散射、大气逃逸等机制的影响，实际观测中紫外和可见光波段的凌星深度差可能大于0.1%，如热木星WASP-121b（见图4 ），从观测上发现近紫外和可见光的凌星深度差异，说明行星大气在紫外波段有额外吸收，揭示该行星大气中可能存在较强的行星大气吸收、散射或逃逸特征。即双波段测得的凌星深度差可以限制行星大气瑞利散射的强弱，反映行星大气中云霾的含量；紫外波段可以探测热木星高层大气中的氢原子、金属化合物的吸收，揭示大气逃逸、恒星对行星大气的作用等物理过程。通过近紫外和可见光观测获得行星WASP-121b的大气深度分别为2.1%和1.55%，差异大约为0.55%，通过这种差异可以了解热木星的高层大气特征[13]。
1.4 确定凌星行星的质量
目前大部分有质量和半径测量的行星都是由凌星法结合视向速度法得到的。紫瞳将对Kepler天区进行连续监测，期望通过长时间的TTV观测，进一步限制行星系统的质量、倾角，以及行星的凌星历元。此外，在其他天区搜寻凌星的同时，也可以顺便对TESS系外行星以及候选体进行测光后随观测，期望能结合TTV方法，对一部分多行星系统、环双星系统进行精确的参数刻画，拓展系外行星的质量 半径关系，并通过多波段同时观测认证或排除部分系外行星候选体[18]。
1.5 其他时域天文学
此外，“紫瞳”还可以对伽马射线等瞬变源进行探测。通过对伽马暴的早期光学行为展开观测，限制伽马暴的标准模型、辐射机制、喷流结构和加速等物理机制[22]。“紫瞳”的观测模式还可以兼容探测太阳系小天体、引力波对应体、磁陀星等方面的科学研究。
2 “紫瞳”载荷与观测模式
2.1 “紫瞳”载荷设计
“紫瞳”载荷为4个30 cm口径望远镜，采用2×2阵列构型，4个望远镜为共视场设计。每台望远镜通过可见通道、紫外通道共口径设计，采用次镜分光分离各通道，各通道独立工作，能够实现两谱段同时工作。为了更有效地开展大天区系外行星搜寻和恒星活动性监测，“紫瞳”每个望远镜基于施密特构型的大视场设计，观测上能够实现大视场设计（10°×10°），对应的观测天区面积基本和Kepler望远镜观测天区相当。每个望远镜配备两个CMOS探测器（可见光波段为6 K×6 K，紫外波段为4 K×4 K）。望远镜光学有效入瞳直径约为500 mm，紫外波段覆盖208~400 nm，可见光波段覆盖400~900 nm，期望能同时实现高精度的测光观测。预期在可见光波段对15等星的测光精度达到500 ppm 1 （约1 h数据叠加），在紫外波段对12等星（红矮星）达到1%（约4 min数据叠加）。
“紫瞳”卫星的光学载荷采用多个优化设计，以保障科学目标的顺利实现。在光机结构设计上，采用固定连接保证4台望远镜共视场设计的准确度；在探测器电子学设计上，采用高灵敏度、高量子效率的背照式探测器和多通道低噪声的读出电路；在热设计上，通过高效热防护和热隔离以及环路热管的精确控温，有效抑制噪声，提升等效集光面积与信噪比，实现高测光精度。图5 展示了“紫瞳”载荷的示意图，载荷外包络尺寸为1200 mm×1200 mm×1200 mm（含遮光罩)，载荷总重量：70 kg×4=280 kg。“紫瞳”有效载荷指标的仿真设计参数见表1 ，该参数下设计的性能指标能够满足紫瞳卫星的科学探测需求。
图 5 (a)“紫瞳”四个共视场望远镜的排布方式；(b)每个望远镜独立的光路结构剖面图Fig.5 (a) The arrangement of the four co-field telescopes of the UVEYES satellite; (b) The sectional view of the independent optical path structure of each telescope |
表 1 “紫瞳”有效载荷指标的仿真设计参数Table 1 Simulation parameters of the UVEYES payload indexes |
| 可见光 | 紫外 | |
| 焦距/mm | 394 | 210 |
| 像元大小/ arcsec∙pix-1 | 5.24 | 8.81 |
| 红端波长/nm | 900 | 400 |
| 蓝端波长/nm | 400 | 280 |
| 光学效率 | 大于0.432 | 大于0.382 |
| 平均QE | 0.65 | 0.50 |
| 暗电流 | 0.001 e-∙pix-1∙s-1@ -100 ℃ | <0.040 e-∙pix-1∙s-1@ -100 ℃ |
| 读出噪声 | 小于2.5 e-∙pix-1 | 小于2.3 e-∙pix-1 |
| 像元大小/μm | 10 | 9 |
2.2 与其他卫星的对比
在可见光波段，目前用于系外行星搜寻和刻画的，主要有美国NASA的Kepler卫星和TESS卫星，以及欧空局的CHEOPS卫星，正在计划的包括欧空局的PLATO卫星和中国的地球2.0计划。上述望远镜都是利用凌星法探测系外行星，共同点是采用单一波段进行测光。“紫瞳”和上述望远镜相比具备双波段同时观测的优势，如图6 所示，有利于探测恒星耀发和系外行星大气刻画，并且由于有效口径大于TESS和CHEOPS，预期的测光精度会更高，如图7 所示，可以对更暗弱的红矮星有较高的测光精度，在系外行星探测和恒星活动性刻画方面更具优势。
图 6 “紫瞳”卫星近紫外和可见光波段与其他望远镜测光波段QE曲线的对比Fig.6 Comparison of the QE curve of the near-ultraviolet and visible light bands of the UVEYES satellite with other telescopes' photometric bands |
图 7 (a)可见光波段“紫瞳”预期的测光精度和TESS、CHEOPS以及Kepler测光精度的对比 (b)紫瞳近紫外波段对不同光谱型恒星的预期测光精度注：（a）中灰色实线为2 min叠加，黑色实线为1 h叠加；（b）中实线为4 min叠加对应的近紫外波段测光精度，灰色虚线为“紫瞳”可见光2 min的精度曲线Fig.7 (a) The anticipated photometric precision of the visible light band of UVEYES compared with the photometric precision of TESS, CHEOPS, and Kepler; (b) The anticipated photometric precision of the near-ultraviolet band of UVEYES for stars of different spectral types |
按照估计，“紫瞳”卫星对亮于11等的恒星，可见光和紫外测光精度可以达到100 ppm和1000 ppm（1 h叠加），可以进行系外行星大气的特征刻画；对亮于15等的恒星，可见光测光精度达到约500 ppm（1 h叠加），可以进行系外行星搜寻；对亮于18等的恒星，双波段测量精度优于10%（4 min叠加），可以进行恒星活动性监测。图6 为“紫瞳”卫星近紫外（NUV band）和可见光（Optical band）波段与其他望远镜测光波段QE曲线的对比。其中实线为QE曲线，虚线为G、M型恒星耀发时的光谱轮廓，可以看到耀发时，大部分能量集中在近紫外波段（Balmer jump），“紫瞳”的紫外波段可以更好地监测恒星活动的光度变化。
目前国际上的紫外探测器不多，除了通用的哈勃空间望远镜（HST）外，主要有伽马暴快速反应探测器，也称“雨燕”卫星（Swift)，星系演化探测器（GALEX），紫瞳与这些望远镜的对比结果见表2 。通过对比可以看出，紫瞳是目前唯一以系外行星宜居性研究为主要科学目标的紫外探测器。其较大口径和超大视场，以及双波段同时观测，是国际同类中所没有的，有望在系外行星领域做出重要成果。
表 2 空间紫外探测器的对比结果Table 2 Comparison results of space ultraviolet detectors |
| 望远镜 | 服役期 | 设备 | 口径/cm | 视场（直径） | 波段/nm | 轨道 | 科学目标 |
| SWIFT | 2004至今 | UVOT | 30 | 17' | 170~650 | 约550 km | 暂态源 |
| GALEX | 2003-2012年 | 测光 | 50 | 1.2° | 135~280 | 700 km | 星系演化 |
| 紫瞳 | 预计 2026-2031年 | 测光 | 50 | 10° | 280~400 400~900 | 地月4：1共振轨道 | 系外行星 |
2.3 “紫瞳”卫星的观测模式
“紫瞳”卫星的工作目标轨道是地球大椭圆轨道，近地点为77418 km，远地点为214540 km，轨道周期为月球公转周期的1/4，远地点与月球位置始终相差45°左右，以确保每次远地点时月球与卫星距离较远。轨道全年光照时间的比例几乎达到100％，平均每两年进入地球全影区5次，每次最长不超过9500 s。紫瞳卫星在该轨道上的工作寿命不低于5年，能够满足长时间、高精度天文观测的需求。
“紫瞳”在进行观测时，采用星上图像叠加的方式，对大部分恒星采用2 min和4min内图像叠加的方式回传图像。对于特定感兴趣的目标源和少部分天区，可以选择更短的采样间隔（秒级），在数传允许的情况下传回地面，用于探测超短时标（秒级）光变事件。紫瞳将采取长时间凝视和具体目标观测两种观测模式。其中固定天区长时间凝视模式的观测计划如下：
第一阶段（第1年）：对Kepler天区共100平方度连续凝视12个月，对Kepler天区的KOI进行后随观测，同时对天区中的非KIC目标进行系外行星搜寻，顺便监测恒星的长期活动性；
第二阶段（第2~3年）：选择黄道面附近的共2400 平方度的天区共24个，每个天区凝视1个月。这样可以和TESS观测进行良好互补。监测恒星活动性，尤其是批量探测活跃的红矮星的耀发事件，期间会穿插覆盖近邻20 pc内的200多颗类太阳恒星；
第三阶段（第4~5年）：对在第一、第二阶段发现行星的红矮星进行凝视观测，预计共600平方度，每个天区4个月。寻找这些红矮星周围是否还存在宜居行星，监测这些红矮星的活动性，为后续觅音计划刻画行星的宜居性提供观测数据。
按照上述计划，“紫瞳”预计观测约3000平方度的天区，共有超过1000万颗恒星（M、K、G、F、OBA的大致比例为1%、40%、34%、20%、5%），按照Kepler和TESS对恒星耀发的统计结果，预期可以探测到几十万次耀发事件。此外，对天区中已知的行星系统可以进行后随观测，按照TESS的TOI数目估计，预计可以后随观测超过500颗行星候选体，进一步分析、确定候选体的物理参数。针对数万颗亮于12等的恒星，可以进行宜居带类地行星的搜寻。
基于“紫瞳”卫星巡天观测模式的规划，在第一、第二阶段（前三年）的科学目标包括：（1）约1000 万恒星活动性精确监测（精度优于1%），监测Kepler天区50多颗宜居带行星的主星活动性；（2）对亮于11等的热木星开展紫外、可见光双波段系外行星大气凌星的后随观测，刻画其大气特征；（3）利用凌星时刻变化方法（TTV）对Kepler行星开展质量的精确测定。在第三阶段（后两年），拟对600平方度进行为期2年的巡天，科学目标包括：（1）搜寻红矮星周围的另一个地球，尤其是辐射环境接近地球的宜居行星；（2）搜寻一批（约2000颗）系外行星，揭示热海星沙漠形成之谜；（3）结合已有系外行星样本，限制宜居行星的出现概率。
“紫瞳”还设置了具体目标观测模式，主要用于对重点关注的目标进行单独观测，例如对已知行星开展大气凌星的双波段观测，也可以兼顾特定目标（如瞬变源、TDE、引力波对应体）的后随观测需求。
3 预期成果
“紫瞳”卫星预期在恒星活动性刻画、红矮星周围的“宜居”行星搜寻、行星特征刻画以及时域天文等方面取得系统的创新成果。
（1）刻画恒星活动性方面，“紫瞳”通过紫外和可见光同时观测，预期获得超过1000 万颗恒星的活动性监测数据，得到详尽的近紫外-可见光恒星活动性数据库，用以监测太阳系近邻恒星活动性强弱和变化规律，限制恒星周围的宜居带和行星宜居性；通过近紫外和光学波段耀发能量的统计对比，揭示不同恒星的耀发机制。此外，完善宿主恒星紫外-可见光恒星活动性模型库，为后续另一个地球的搜寻和刻画的观测变量体系分析及观测方案设计提供依据，并找到一批近邻的宁静恒星——即“另一个地球”的母星。
在搜寻红矮星周围的“宜居”行星方面，“紫瞳”将在太阳的临近区域（约100 pc范围），用双波段探测搜寻红矮星周围的“另一个地球”，对宜居带行星的出现率进行刻画；同时从恒星活动性角度重新限制宜居带，为另一个地球搜寻提供恒星活动性数据库；紫瞳在5年工作寿命内，预期发现超过2000颗系外行星，包括10余颗红矮星周围的宜居带类地行星，并结合主星活动性分析行星的宜居性和出现概率。
（2）刻画行星大气方面，“紫瞳”能够同时监测已知系外行星在可见光-紫外双波段的凌星特征，搜寻具有大气逃逸的热行星。这类行星是研究恒星如何影响系外行星大气和系外行星大气演化的关键。“紫瞳”对数十颗亮于11等的热木星系统（例如WASP-127 b、WASP-79 b、 WASP-62 b）和部分膨胀的热海王星（例如GJ 3470 b）进行观测，对双波段凌星深度差异进行排序，结合热木星大气演化、热海星沙漠形成，探索恒星对行星大气的作用机制，理解低密度行星的大气特征，限制此类行星的形成和演化路径。
（3）测定行星质量等参数方面，“紫瞳”通过巡天，预期对数百颗Kepler行星或TESS行星（候选体）进行后随观测，利用凌星中心时刻变化的方法，获得几十颗行星的准确质量，完善系外行星质量-半径关系，限制行星密度和大气质量，深刻理解行星的形成和演化过程。此外，后随观测还将更新已有行星的凌星时刻历元，极大地降低凌星窗口预测的不确定度。
（4）时域天文方面，“紫瞳”卫星在巡天的同时，还可以对太阳系小天体，近地天体进行同步探测，对瞬变源的观测也有先天优势，并具有双波段同时观测的能力，有望在到分钟甚至秒量级上捕捉到伽马暴的早期光学辐射，以及其他变源的光学对应体。对河外时域天文尤其是近紫外波段观测填补了地面时域观测的短板。可以通过紫瞳寻找TDE事件，测量超大质量黑洞自旋，寻找双超大质量黑洞的候选体等。
表 3 不同口径望远镜新发现的系外行星候选体的数目（每100平方度）（单位：个）Table 3 The number of new exoplanet candidates discovered by telescopes of diflerent diameters |
| 凝视时长/月 | 10 cm（TESS） | 50 cm （“紫瞳”，单个天区） | 50 cm （“紫瞳”，24月） |
| 1a | 15 | 113 | |
| 2 | — | 153 | |
| 4 | — | 191 | |
| 12 | — | 282 | 534 |
| 24 | — | 404 | 389 |
注：a ：TESS全天已探测到 |
4 结语
系外行星领域近20年发展迅速，是科学研究的热点前沿。近年来，对太阳系外行星的研究重点从起初的发现逐步转移到对行星物理化学性质的刻画以及宜居行星的探测和宜居性的研究中。未来10~20年间，在这些科学前沿方向的工作不仅将更好地回答“地球人类在宇宙中是否独一无二”这个问题，还可能革命性地改变我们对地球、太阳系的认识。
“紫瞳”的科学目标瞄准寻找宜居行星等重大科学问题，开展恒星活动性监测，系外行星刻画和系外行星搜寻的研究，是国内外独具特色的，专门用于系外行星的大视场巡天望远镜。同时从恒星特征、行星特征两个维度进行研究，期望能在另一个地球搜寻这一问题上取得突破。
“紫瞳”将在国际上首次从光学和近紫外双波段对千万量级的恒星开展长时间光变监测，为恒星活动性研究提供巨量样本，建立双波段恒星活动性数据库，其中包括20 s差距内的209颗类太阳恒星；搜寻红矮星周围的“另一个地球”，对宜居带行星的出现率进行限制；此外，结合恒星活动性，分析宜居带行星宿主恒星的活动特征，刻画行星的宜居性，有望在“另一个地球”的刻画上取得新突破。在行星大气特征刻画、行星质量确定等方面，也有望取得重要进展，揭示一批低密度行星的来源。此外，“紫瞳”在时域天文学（如超大质量黑洞搜寻和刻画、引力波对应体搜寻、太阳系小天体探测、暂现源监测）上也能发挥重要作用，通过双波段测光数据，帮助理解黑洞、引力波、宇宙高能事件的物理机制。