尋找外星生命可能需要在軌道上建造巨型望遠鏡

當她用太空手套感受到最後一塊零件“咔噠”一聲就位時，宇航員停下來欣賞眼前的景色。她的倒影在一個銀色的圓盤中晃動，這個圓盤有三個網球場那麼大；她覺得自己像一隻漂浮在黑暗池塘上的蟲子。這個圓盤由數百個像她剛剛安裝的那個一樣的互鎖金屬六邊形組成，是一面巨大的鏡子，寬30米，是有史以來建造的最大太空望遠鏡的聚光之眼。從她在小型空間站的機械臂上的位置看，地球是一個可以用伸出的拇指遮住的藍色和白色的小球，在下方數千公里處旋轉的明亮而寂靜的月球面前顯得渺小。

儘管這一場景仍然是科幻小說中的情節，但一個由科學家、工程師和技術專家組成的臨時小組現在表示，它正在成為現實。在一個由美國宇航局贊助的適度倡議的主持下，這個多元化的團體正在評估太空機構如何建造比以前認為的更大、更好的太空望遠鏡——透過在太空建造和維修它們。這項正式名為“太空組裝望遠鏡”研究（iSAT）的工作，是科學進步長期趨勢的一部分，科學進步透過利用為更實際的考慮而創造的技術來搭便車。

例如，20世紀冷戰期間監視衛星和攜帶彈頭的火箭的開發也催化了行星際探測機器人的創造，甚至是美國宇航局載人阿波羅登月任務。同樣，在21世紀，對在軌建造和維修衛星的軍事和工業需求的飆升，可能會導致太空望遠鏡得到顯著增強，從而能夠明確回答一些科學領域最大的問題——例如我們是否孤獨。“iSAT計劃可能是美國宇航局的下一個阿波羅計劃，”該研究小組成員、美國宇航局戈達德太空飛行中心的天體物理學家馬特·格林豪斯說。“而iSAT計劃所支援的科學很可能包括髮現外星生命——這一成就對人類的影響將超過阿波羅計劃。”

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準備好黃金時段

在某些方面，在太空建造和維修航天器是一場已經到來的革命，僅僅是因為近乎完美的記錄使其看起來具有欺騙性的常規性而被掩蓋。美國宇航局的兩項頂峰專案——國際空間站（ISS）和哈勃太空望遠鏡——都歸功於軌道建造工作。國際空間站在軌道上組裝和補給了二十多年，現在大約有一個足球場那麼大，居住空間比標準的六居室房屋還要大。只有太空維修才使哈勃望遠鏡成為世界上最具標誌性和最成功的望遠鏡，此前，1993年的一次開創性的維修任務中的太空梭機組人員修復了該天文臺主鏡中的一個嚴重缺陷。此後，宇航員又進行了四次哈勃維修任務，更換裝置和升級儀器，使天文臺煥然一新。

今天，多個專案正在推進從那些開創性努力中獲得的勢頭，培養強大的新能力。美國宇航局NASA和五角大樓的國防高階研究計劃局（DARPA）以及私營部門公司，如諾斯羅普·格魯曼和空間系統勞拉（SSL）正在建造機器人航天器，以便在未來幾年內發射到漫長的任務中，為政府和商業衛星加油、維修、重新定位和升級。這些航天器——或者至少是它們演示的技術——也可以用於在太空組裝望遠鏡和其他大型結構，例如那些與美國宇航局長期規劃的載人登月和火星任務相關的結構。去年——在美國宇航局、美國空軍和國家偵察辦公室之間的“夥伴關係論壇”的主持下——該太空機構牽頭制定了一項國家戰略，以進一步公共和私人發展2020年代及以後的太空組裝技術。

這些趨勢可能會結束一些專家認為的太空科學和探索的“黑暗時代”。“想象一下這樣一個世界，當你的汽車燃料不足時，你不是開車去加油站加油，而是把它開到垃圾場並拋棄它。想象一下這樣一個世界，一旦你第一次搬進你的房子，你就無法再把更多的雜貨搬進去，請水管工來修理漏水的管道，或者任何方式來搬進和安裝新的電視。想象一下這樣一個世界，我們都住在我們可以背在背上的帳篷裡，沒有人想到要建造任何更大或更永久的東西。這看起來很瘋狂，不是嗎？”iSAT研究小組成員喬·帕裡什說，他是DARPA戰術技術辦公室的專案經理，負責其地球同步衛星機器人維修（RSGS）任務。“但這正是我們現在擁有的價值10億美元的太空資產的世界。……我認為，當我們回顧在軌維修和組裝之前的時代時，我們會像現在回顧用螞蟥治療疾病的時代一樣。”

更大就是更好

太空組裝背後的基本現實很容易理解：任何進入太空的東西都必須適合將其送入太空的火箭。即使是最大的火箭——美國宇航局仍在開發的太空發射系統（SLS）的猛獁象般的10米火箭整流罩——也無法容納像國際空間站甚至美國宇航局較小的“門戶”這樣的東西，這是一個提議在2020年代建造的繞月空間站。將如此龐大的專案分批發射，供宇航員或機器人在軌道上組裝，實際上是將它們送上太空的唯一方法。而且巧合的是，即使像SLS這樣的巨型“重型”火箭仍然非常昂貴，但可以用多次發射來支援軌道組裝的中型火箭卻一直在變得更便宜。

對超大型太空望遠鏡的需求也很直接：望遠鏡的聚光鏡越大，其宇宙視野就越深、越精細。簡而言之，當涉及到望遠鏡時，越大越好——尤其是那些具有變革性目標的望遠鏡，例如追蹤宇宙138億年曆史中星系、恆星和行星的合併，瞭解暗物質和暗能量的本質，以及在圍繞其他恆星執行的可居住世界中尋找生命跡象。今天大多數用於追求如此誘人目標的太空望遠鏡的設計，其鏡面寬度上限為15米——但這僅僅是因為這大約是摺疊後可以裝入像SLS這樣的重型火箭的極限。

天文學家長期以來一直幻想建造更大的太空天文臺，其鏡面寬度為30米或更大——與已經在2020年代建造的地面望遠鏡的尺寸相媲美。這些龐然大物遠離我們星球散射星光的大氣層，可以完成地面觀測者只能夢想的壯舉，例如拍攝可能類似地球的世界的照片，這些世界圍繞著大量其他恆星執行，以確定這些世界實際上是否適合居住——甚至有人居住。如果以我們自己的地球為例，生命是一種行星現象，它可以以清晰可辨的方式改變其家園世界的 атмосферу и поверхность；前提是，人們必須有一個足夠大的望遠鏡才能看到跨星際距離的這些細節。

美國國家科學院、工程院和醫學院最近釋出的一份“系外行星科學戰略”報告稱，美國宇航局應牽頭建造一個新的大型太空望遠鏡，開始接近宏偉願景——能夠調查數百顆（或至少數十顆）附近的恆星，以拍攝潛在的系外地球的快照。該建議（本身就是之前幾項著名研究的回聲）得到了另一份新的科學院報告的核心結論的加強，該報告呼籲該機構使尋找外星生命成為其未來太空探索活動更基本的一部分。這些報告建立在日益增長的共識之上，即我們的星系可能擁有數十億個潛在的可居住世界，這要歸功於美國宇航局最近退役的開普勒太空望遠鏡和該太空機構新發射的凌星系外行星巡天衛星的統計資料。無論是從科學進步、技術能力還是公眾利益的角度來看，建造尋找生命的太空望遠鏡的理由都比以往任何時候都更加充分——並且還在穩步加強。遲早，美國宇航局似乎會發現自己承擔著在星際間尋找生命方面實現這一期待已久的巨大飛躍的任務。

這樣一個望遠鏡要有多大才能為星際探索任務提供合理的成功機會，這取決於生命仍然未知的宇宙普遍性。如果運氣好的話，一個配備4米鏡面的望遠鏡可能就足以中大獎，在我們太陽系最近的鄰近恆星之一週圍找到一顆有人居住的系外地球。但是，如果宇宙不太友善，並且最近的載有生命的世界要遠得多，那麼超過近未來火箭施加的15米限制的望遠鏡可能是必要的，以便在我們太陽系銀河系的角落中嗅出任何有生命的行星。簡而言之，太空組裝可能為完成人類結束宇宙孤獨感這一長達千年的努力提供唯一可行的途徑。

十年展望

美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的天體物理學家、該太空機構系外行星探索計劃的首席技術專家尼克·西格勒說：“科學家們已經遇到了一個設計限制，以實現他們想要推進的科學。”。“如果這個特定的限制不存在呢？這就是太空組裝提供的——有機會突破界限，無論是在科學發現還是人類探索方面。”西格勒與美國宇航局戈達德高階科學家哈雷·特朗森和JPL機器人專家魯德拉·穆克吉一起，在2016年末組建了未來的組裝和服務研究小組（FASST），並在2017年初在德克薩斯州的一次天體物理學會議上組織了該小組的首次會議。

iSAT研究是美國宇航局資助的第一個FASST活動，但可能不是最後一個。該團隊的目標不僅僅是另一群與世隔絕的學者提出空中樓閣的想法。其成員包括頭腦冷靜的資深太空飛行員，如約翰·格倫斯菲爾德，他是一位前宇航員和美國宇航局科學專案負責人，曾在五次哈勃維修任務中的三次中擔任軌道維修人員。格倫斯菲爾德和其他參與者表示，該團隊的意圖與其說是說服太空機構支援太空望遠鏡組裝，不如說是澄清該方法的潛在好處和缺點。“在太空組裝望遠鏡顯然會產生更大的望遠鏡，但為什麼、是什麼、如何、風險、成本以及何時進行太空組裝的答案尚不存在，”團隊成員羅恩·波利丹說，他現在是美國宇航局和諾斯羅普公司太空技術開發的退休專家。

然而，已經確定的是，該小組對美國宇航局近期計劃產生有意義影響的時間不多了。該團隊目前正在頻繁地進行電話會議，全力以赴完成一項“概念驗證”研究，該研究檢查了一個假設的鏡面直徑為20米的望遠鏡的太空組裝。這樣一個望遠鏡的模組化元件會是什麼樣的，它會在太空的哪個位置建造和執行，哪些火箭和航天器會支援它，需要多少次發射？望遠鏡的部件將由宇航員還是機器人組裝？而且，也許最重要的是，太空組裝能否成為一種具有成本競爭力的建造小型太空望遠鏡的方法，而這些望遠鏡原本會遵循從單枚火箭上存放和部署的傳統？iSAT團隊的報告將在明年春天釋出時解答這些問題。

對於可能影響美國宇航局提議的月球門戶的最終設計來說，這個時間點很重要，月球門戶可以用作深空建造平臺。iSAT研究的時間點也與天體物理學“十年調查”的開始重疊，這是一個每10年一次的過程，美國研究界在其中建立一個優先排序的未來專案清單，供美國宇航局和國會遵循。十年調查最具影響力的建議將是一個價值數十億美元的太空望遠鏡，用於2030年代——一個“旗艦”專案，這是該太空機構開展的最大級別的科學任務。

美國宇航局贊助的四項科學和技術定義團隊（STDT）研究目前正在進行中，以 anticipation of the Decadal Survey，每項研究都基於科學、技術和預算方面的考慮，開發一個獨特的旗艦概念和相關的科學目標套件。根據西格勒和其他美國宇航局官員的說法，四項STDT研究中最大的兩項設計——都以系外行星成像為首要目標——已經達到了美國宇航局新興的SLS重型火箭最強大版本的尺寸或重量限制。但到目前為止，這四項研究都沒有納入對太空組裝技術的有意義的考慮。

西格勒對此並不感到驚訝。“STDT都在出色地完成工作，提出引人注目的科學，同時也努力最大限度地降低他們的任務成本，”他說。“[太空組裝]尚未顯示它如何降低成本，並且從他們的角度來看，它可能顯得增加了複雜性。我們的研究有責任展示好處在哪裡，如果它們真的存在的話。”

波利丹提出了更直率的評估。“一些社群成員曾私下向我建議，我們等到十年調查之後再進行iSAT研究，”他說。“所有這些評論都是由於目前缺乏對在太空組裝望遠鏡的詳細定義，以及擔心它會看起來‘太好’，並以某種方式影響十年委員會走上一條對於天體物理學來說風險太大或成本太高的道路。”

韋伯的警示故事

一個新的超大型太空望遠鏡對於美國天體物理學界的許多人來說可能很難推銷，無論它是在地面還是在太空建造。根據美國宇航局問題纏身的下一個即將發射的旗艦專案：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，它旨在瞥見宇宙最早的恆星和星系，這兩種方法都可能對美國宇航局來說太過分了。“人們仍然對韋伯事件感到創傷，這是理所當然的——他們擔心類似的事情會再次發生，”俄亥俄州立大學的天文學家、“系外行星科學戰略”報告的合著者斯科特·高迪說。

該專案取決於一個可摺疊的6.5米鏡面和一個更大的“遮陽罩”——每個都是有史以來發射的最大的——在天文臺前往月球之外的黑暗、安靜的點，並且超出美國宇航局宇航員隊伍的維修或服務能力範圍的令人緊張的自我部署。確保一切按計劃進行已被證明非常昂貴。從1996年16億美元的假定預算和最早可能在2007年發射的日期開始，韋伯的實際價格標籤已膨脹到近100億美元，望遠鏡的發射現在暫定不早於2021年。為支付韋伯超支的資金部分來自蠶食許多其他有價值的專案，這對美國宇航局的太空科學投資組合和幾乎所有研究人員的沮喪情緒都造成了總體損害。

一位不願透露姓名的著名天體物理學家說：“在進入十年調查時，我擔心十年委員會會因成本而感到恐懼，以至於他們不會推薦任何旗艦專案。”。“如果十年調查——實際上是社群——過於膽怯，沒有推薦一個大型戰略任務，那麼就會變成一個自我實現的預言，即根本不會有這樣一個專案。”反過來，這可能導致美國將其在太空天文學領域的領先地位讓給競爭國家，即中國，中國也有自己的太空組裝計劃——包括由航天員照料的軌道天文臺。由此導致的科學家和工程師為了更公平的國際海岸而外流，可能會在幾代人的時間裡摧毀美國太空科學，對美國繼續作為全球超級大國產生深遠的影響。

“一個非常充分的理由去做這件事”

所有這一切是證明韋伯支援還是反對太空組裝和服務是一個有爭議的問題。鏡面或遮陽罩在發射後部署中的任何小故障都可能使韋伯成為價值100億美元的無法執行的太空垃圾——當然，這假設望遠鏡完全逃離了地球，而不是成為其運載火箭不太可能但可能發生的故障的受害者。原則上，在軌道上建造和測試望遠鏡可以減少或消除這些和其他威脅——儘管可能需要更高的價格標籤。“太空組裝將完全消除摺疊和部署韋伯的要求，此外，發射失敗不一定是任務失敗，”西格勒指出。

即使韋伯的一切都按計劃進行，它也沒有被設計為可維修的（不像它的前身哈勃——或者，就此而言，它的繼任者，一個計劃中的韋伯後旗艦專案，名為WFIRST）。在到達其深空目的地後大約十年內，韋伯將耗盡燃料，大概會註定其太空垃圾的命運。“這令人震驚，”iSAT研究小組成員、DARPA RSGS計劃的前負責人戈登·羅斯勒說。“如果韋伯能夠持續更長時間，那不是很好嗎？[iSAT]的普遍想法是，像韋伯這樣的東西作為一項50年的任務更有意義，我們可以從一開始就計劃訪問它，補充消耗品，更換零件，並安裝具有更好技術的新儀器。”

由於所有這些原因，儘管韋伯作為2020年代太空天文學的首要設施及其相關的豐富新技術可以輸入到更先進的未來天文臺中，但許多iSAT團隊成員認為該專案是一個不可持續的“進化死衚衕”，其時代在某些方面已經過去。從其令人驚歎但有缺陷的遺產中產生的一切，不僅取決於iSAT研究和十年調查的結果，還取決於科學家和政策制定者擁抱大膽的、改變正規化的新方法的勇氣。

太空望遠鏡科學研究所所長肯·森巴赫說：“在理解什麼是可能的時，科學界有時是自己最大的敵人。”。“我們中的一些人現在有一個先入為主的觀念，即不可能建造另一架比韋伯更大，是的，可能更昂貴的望遠鏡。但我一直與年輕的研究人員、國會和公眾交談，他們都問，‘我們為什麼不考慮更大的？’人們想要支援雄心勃勃的事情。所以這是可能的——只要有一個非常充分的理由去做這件事。”