美國國家航空航天局宜居世界天文台的規劃工作正在進行中八月初，科學家和工程師們聚集在加州理工學院的一個小禮堂裡，討論如何建造第一台能夠探測類似於地球的行星生命的太空望遠鏡。擬議中的任務概念名為”宜居世界天文台”（HWO），將成為繼美國宇航局詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）之後的又一個強大的天體物理學天文台。

這種技術用於遮擋星光，以揭示圍繞該恆星運行的行星的存在。

它將有能力研究恆星、星系和大量其他宇宙天體，包括太陽系外的行星，即係外行星。雖然在系外行星上發現生命可能是一個遙遠的目標，但加州理工學院研討會的目的是評估華大基因在其他地方尋找生命所需的技術水平。

HWO技術評估小組（TAG）成員、大衛-莫里斯羅天文學教授、噴氣推進實驗室（JPL）高級研究科學家迪米特里-馬維特（Dimitri Mawet）說：”在設計任務之前，我們需要盡可能地開發關鍵技術。”噴氣推進實驗室由加州理工學院為美國國家航空航天局管理。我們正處於技術成熟階段。我們的想法是進一步推進各項技術，使宜居世界天文台能夠提供革命性的科學成果，同時將成本超支的風險降到最低”。

岩石系外行星開普勒-186f的藝術家印像圖，它是最有希望成為潛在宜居行星的候選者之一，但它與地球相比有多大的相似或不同之處才能孕育生命呢？圖片來源：NASA/Ames/SETI 研究所/JPL-加州理工學院。

HWO將於20世紀30年代末或20世紀40年代初發射，這是美國國家科學院”2020年天文學和天體物理學十年調查”（Astro2020）的一部分。該任務的觀測時間將分配給一般天體物理學和系外行星研究。

天體2020 十週年報告的兩位主席之一、加州理工學院哈羅德-A-羅森物理學教授、物理、數學和天文學分部肯特和喬伊斯-克雷薩領導力主席菲奧娜-哈里森說：”十週年調查建議將這項任務作為重中之重，因為它將為天體物理學帶來變革性的能力，同時還能了解我們太陽系之外的整個太陽系。”

技術進步與挑戰

太空望遠鏡能否描述系外行星大氣層的特徵，從而尋找可能表明存在生命的跡象，取決於能否阻擋來自遙遠恆星的眩光的技術。阻擋恆星光線的方法主要有兩種：一種是望遠鏡內部的小型遮光板，稱為日冕儀；另一種是望遠鏡外部的大型遮光板，稱為星罩。在太空中，星罩會展開成一個巨大的向日葵形結構，如下圖所示。

該動畫展示了星罩的原型，這是一種巨型結構，旨在阻擋恆星的強光，以便未來的太空望遠鏡能夠拍攝行星照片。資料來源：美國國家航空航天局

在這兩種情況下，恆星的光線都會被擋住，這樣附近行星反射出的微弱星光就會顯現出來。這個過程類似於在拍攝微笑的朋友時用手擋住太陽光。通過直接捕捉行星的光線，研究人員可以使用其他稱為光譜儀的儀器仔細觀察這些光線，尋找化學特徵。如果繞著遙遠恆星運行的行星上有任何生命存在，那麼這種生命的集體吸氣和呼氣可能會以生物特徵的形式被探測到。

JPL的NASA系外行星探測計劃首席技術專家尼克-西格勒（Nick Siegler）說：”我們估計，僅在我們銀河系的宜居帶，就有多達幾十億顆地球大小的行星。宜居帶是恆星周圍溫度適合液態水生長的區域。我們想探測這些系外行星的大氣層，尋找氧氣、甲烷、水蒸氣和其他可能預示著生命存在的化學物質。我們要看到的不是小綠人，而是這些關鍵化學物質的光譜特徵，也就是我們所說的生物特徵。”

據Siegler 稱，NASA 已決定將重點放在HWO 概念的日冕儀路線上，這是在最近對NASA 的南希-格蕾絲-羅曼太空望遠鏡投資的基礎上發展起來的，該望遠鏡將利用先進的日冕儀對氣體巨型系外行星成像。(加州理工學院的IPAC 是羅曼科學支持中心的所在地）。如今，日冕儀已在其他幾台望遠鏡上使用，包括在軌運行的JWST、哈勃望遠鏡和地面天文台。

麻省理工學院的薩拉-西格（Sara Seager）在加州理工學院研討會上發表了題為”為宜居世界天文台實現星光抑制”的演講。資料來源：加州理工學院

創新與未來展望

馬維特開發了日冕儀，用於夏威夷大島毛納凱亞山頂的WM 凱克天文台的儀器。最新版本的日冕儀被稱為渦旋日冕儀，由馬維特發明，安裝在凱克行星成像和特徵儀（KPIC）中，該儀器可以讓研究人員直接對年輕和溫暖的氣態巨型系外行星的熱輻射進行成像和研究。日冕儀可以抵消恆星的光線，從而拍攝到比恆星暗一百萬倍的行星照片。這使得研究人員能夠詳細描述年輕的氣態巨型系外行星的大氣層、軌道和自轉特徵，幫助回答有關其他太陽系的形成和演化的問題。

但是，要直接成像一顆孿生地球行星–我們所知的生命最有可能在這顆行星上繁衍生息–則需要對現有技術進行大規模改進。像地球這樣在宜居帶圍繞類太陽恆星運行的行星，很容易被恆星的強光所掩蓋。例如，我們的太陽就比地球的光強100 億倍。要使日冕儀達到這種星光抑制水平，研究人員必須將其技術推向極致。馬維特說：”隨著我們越來越接近所需的星光抑制水平，挑戰的難度也會成倍增加。”

通過NASA系外行星探測計劃技術經理尼克-西格勒（Nick Siegler）博士的解說，詳細介紹了日冕儀的工作原理以及它如何幫助直接為系外行星成像。資料來源：美國國家航空航天局

加州理工學院研討會的與會者討論了日冕儀技術，該技術涉及用儀器內部的超精密可變形鏡片控制光波（見上圖視頻）。雖然日冕儀可以阻擋恆星的大部分光線，但雜散光線仍會進入最終圖像，呈現出斑點狀。通過使用數千個推桿對可變形鏡面的反射面進行推拉，研究人員可以消除殘餘星光的斑點。

即將問世的南希-格蕾絲-羅曼太空望遠鏡將是第一個使用這種日冕儀的望遠鏡，它被稱為”主動”式，因為它的鏡面會主動變形。在JPL 進行更多測試後，羅曼日冕儀最終將被集成到NASA 戈達德太空飛行中心的最終望遠鏡中，並最遲於2027 年發射到太空。羅曼日冕儀將使天文學家能夠拍攝到比恆星暗十億倍的系外行星圖像。這包括成熟的和年輕的氣態巨行星，以及行星形成過程中留下的碎片盤。

JPL的羅曼日冕儀技術專家瓦內薩-貝利（Vanessa Bailey）說：”羅曼日冕儀是NASA在尋找太陽系外生命的道路上邁出的下一步。當今望遠鏡與宜居世界天文台之間的性能差距太大，無法一下子彌合。羅曼日冕儀的目的就是成為中間的墊腳石。它將展示幾項必要的技術，包括日冕儀掩膜和可變形反射鏡，其性能水平在實驗室之外從未達到過”。

要想直接為一顆類太陽恆星周圍的地球孿生星成像，就意味著要進一步推動羅曼日冕儀背後的技術。馬維特解釋說：”我們需要能夠將反射鏡的變形精確到皮米級。與羅曼日冕儀相比，我們需要將星光再抑制大約100 倍。這次研討會有助於指導我們找出我們的技術差距在哪裡，以及我們在未來十年中需要在哪些方面進行更多的開發。”

研討會上討論的其他話題還包括與日冕儀配合使用的最佳主鏡類型、鏡面塗層、處理微流星體對鏡面造成的損壞、可變形鏡面技術，以及探測器和用於集成建模和設計的先進工具。工程師們還介紹了星罩及其技術準備狀態的最新情況。

發現地球雙胞胎之路

與此同時，隨著技術的不斷進步，其他科學家也將目光投向恆星，尋找HWO 可以成像的類地行星。迄今為止，已經發現了5500 多顆系外行星，但沒有一顆是真正的類地行星。行星搜尋工具，如加州理工學院領導的凱克天文台新的凱克行星探測器（KPF），通過尋找行星在環繞恆星運行時對恆星產生的拉力，已經能夠更好地發現行星。重量較大的行星會產生更大的牽引力，離恆星較近的行星也是如此。KPF 的設計目的是在小紅星的宜居帶中尋找地球大小的行星（紅星的宜居帶更靠近恆星）。在接下來的幾年裡，KPF將不斷改進，也許能夠探測到地球雙胞胎。

到20 世紀30 年代末或20 世紀40 年代初發射HWO 時，科學家們希望能有至少25 顆類地行星的目錄可供探索。

儘管前路漫漫，參加研討會的科學家們還是迫不及待地與從全國各地趕來帕薩迪納的同行們討論了這些挑戰。JPL 主任勞裡-萊辛（Laurie Leshin，89 年碩士，95 年博士）在會議開始時發表了鼓舞人心的講話。她說：”這是一個令人興奮而又艱鉅的挑戰。但這正是我們的目標。我們不是一個人在戰鬥。我們需要合作”。