下一代 NASA 太空望遠鏡能否拍攝到其他類地行星的照片？天文學家長期以來夢想著獲得這樣的照片，這將使他們能夠研究太陽系以外的世界，尋找適宜居住和生命的跡象。但長期以來，實現這一目標的技術似乎還需要幾十年。然而，現在越來越多的專家認為，NASA 的廣域紅外巡天望遠鏡 (WFIRST) 有可能拍攝到其他“地球”的快照——而且很快就能實現。該機構於今年 2 月正式啟動了該天文臺的工作，並計劃於 2025 年發射。
WFIRST 發射後，它將配備一面 2.4 米的反射鏡，有望提供廣闊的天空視野，並將利用其廣闊的視野來研究暗能量，這種神秘的力量正在驅動宇宙加速膨脹。但另一個熱門話題——探索宇宙中我們是否是孤獨存在的根本性問題——已經開始影響這項任務。
研究人員已經發現了 3000 多顆圍繞其他恆星執行的行星，並預計在未來十年內還會發現數萬顆。粗略的統計資料表明，天空中每顆恆星都至少伴隨著一顆這樣的系外行星，而且大約五分之一的類太陽恆星在其不太熱、不太冷的“宜居帶”中都有一顆岩石行星，那裡可能存在液態水。瞭解這些世界是否類地世界的最佳方法是親眼看到它們，但從數光年之外拍攝行星的照片絕非易事。一顆宜居的世界將是一個微弱的光點，淹沒在其更大、亮度高出 100 億倍的恆星的強烈眩光中。
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地球湍流的、使星光模糊的大氣層也是從地面天文臺拍攝微弱行星影像的嚴重障礙，大多數專家都認為解決方案是使用太空望遠鏡。但 NASA 的哈勃太空望遠鏡及其超大型後繼者，即計劃於 2018 年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，都遠未達到所需的高對比度。為了幫助捕捉行星照片，WFIRST 將配備先進的行星成像日冕儀，這是一種位於望遠鏡內部的儀器，它使用一系列複雜的遮光罩、反射鏡和透鏡來濾除星光。但這種儀器是後來才新增到 WFIRST 中的，WFIRST 本身並非針對日冕儀進行最佳化。因此，大多數專家預測，其日冕儀將達不到拍攝其他地球影像所需的對比度。事實上，拍攝這樣的影像極具挑戰性，以至於 NASA 的初步計劃是將其推遲 20 年或更長時間，以便該機構開發技術並獲得預算空間，在 WFIRST 之後建造全新的太空望遠鏡。
這些連續影像展示了星罩如何與未來的太空望遠鏡一起部署。星罩最初摺疊起來以便發射到太空 (1)，然後分離並展開 (2)，然後飛離 (3) 到其位於望遠鏡前方數萬公里的位置。
圖片來源：NASA/JPL-CALTECH
一種名為星罩的裝置可能會提供一條捷徑。星罩是一種葵花形狀、薄如紙的螢幕，半個足球場大小，它將漂浮在 WFIRST 前方數萬公里處，以與人們用伸出的拇指遮擋天空中的太陽非常相似的方式，阻擋目標恆星的光線。由於星罩幾乎可以與任何望遠鏡配合使用，因此 WFIRST 上的星罩可以投射更深的陰影，並比日冕儀看到更微弱的行星。透過協同工作，星罩和望遠鏡可以拍攝大約 40 顆行星的照片，其中包括一些在大小和軌道上與地球相似的行星。“如果且僅當它配備了星罩，WFIRST 才能在未來十年末為我們提供一些真正的藍色地球的影像，而不是再等 20 年，”普林斯頓大學教授兼 WFIRST 日冕儀首席科學家傑里米·卡斯丁說。“這是一個真正的機會，可以在對 NASA 的下一代巨型太空望遠鏡進行鉅額投資之前，以更少的錢更快地找到另一個地球。”
儘管 WFIRST 距離發射還有近十年時間，但推進星罩會合準備工作的決定必須儘快做出，因為 WFIRST 必須進行少量修改，才能使其能夠與數萬公里空曠空間中的星罩同步。因此，官方的星罩任務並不存在。相反，NASA 天體物理學部主任保羅·赫茨表示，該機構目前處於“不排除星罩”模式。到目前為止，不排除星罩的做法與建造星罩的協同努力非常相似：當 NASA 首次宣佈 WFIRST 正式啟動時，它也確認該望遠鏡將發射到距離地球 150 萬公里的軌道上，那裡的條件足夠平靜，星罩可以正常工作。此外，該機構最近成立了星罩準備工作組，並正式將星罩指定為“技術開發活動”——這些舉措可能會加速該機構的進展。
事實上，在普林斯頓大學龐大的弗裡克化學實驗室的地下室裡，卡斯丁已經在研究一個測試平臺：一個直徑一米、長 75 米的管子，一端裝有攝像頭，另一端裝有雷射器，中間裝有一個縮小版的星罩。他預測，到今年夏天結束時，該測試平臺將展示必要的對比度比率，如果按比例放大到全尺寸，就可以實現類地行星的成像。與此同時，航空航天公司諾斯羅普·格魯曼公司已經在內華達州的一個乾涸湖床和亞利桑那州的一個巨型太陽望遠鏡上測試了微型星罩。在 NASA 噴氣推進實驗室，研究人員正在演示如何製造更大規模的星罩的精巧花瓣，將整個結構摺疊起來放入火箭內部，並將其展開到棒球場大小。
並非所有星罩的障礙都是技術性的。WFIRST 的一個星罩很容易花費 10 億美元——對於望遠鏡的預算來說，這筆額外的錢太多了。因此，它必須首先作為一項獨立專案提出並獲得批准，並擁有自己充足的 NASA 資金供應。對於一項仍處於起步階段的技術來說，這是一個很高的門檻，但回報可能是歷史性的：交付第一張外星地球的影像是一件一生只能發生一次的事件。我們應該嘗試儘快完成它，還是將其再推遲幾十年？NASA 和天文學界必須儘快做出決定。