美國宇航局的下一代大型太空望遠鏡能否拍攝到圍繞另一顆恆星執行的外星類地行星的照片？天文學家長期以來夢想著這樣的照片，這將使他們能夠研究太陽系以外的世界，尋找宜居性和生命的跡象。但是，自從天文學家有夢想以來，實現這些夢想的技術似乎還需要幾十年。然而，現在，越來越多的專家認為，美國宇航局的廣域紅外巡天望遠鏡 (WFIRST) 可以拍攝“其他地球”的快照——而且很快。該機構於今年 2 月正式啟動了 WFIRST 的工作，並計劃在 2025 年發射該天文臺。
WFIRST 的構想始於 2010 年，是美國國家科學院十年調查報告的首要優先事項，該報告來自美國天文學家，提出了美國宇航局和其他聯邦科學機構未來任務的願望清單。該望遠鏡的核心是一個2.4 米的鏡面，雖然尺寸和質量與哈勃太空望遠鏡相同，但它承諾提供比哈勃望遠鏡所能管理的任何事物大一百倍的天空全景圖。WFIRST 的主要目標是使用名為廣域儀器的相機，研究暗能量，即驅動宇宙加速膨脹的神秘力量。但另一個熱門話題——探索我們在宇宙中是否孤獨的存在主義問題——已經影響了這項任務。
自十年調查報告關鍵性地將 WFIRST 推薦為美國宇航局下一代天體物理學任務的首要優先事項以來，研究人員已經發現了超過一千顆系外行星——圍繞其他恆星執行的行星。他們預計在未來 10 年內會發現數萬顆。當 WFIRST 調查銀河系的銀河核球，尋找行星從它們前面經過時短暫變亮的恆星時，它本身就會發現許多行星，充當引力透鏡來放大它們的光線。這項調查可能會產生至少與美國宇航局非常成功的行星搜尋者開普勒太空望遠鏡一樣多的世界，後者使用不同的技術在硬體故障結束其 2013 年的主要任務之前，捕獲了約 5,000 顆可能的行星。
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已知行星的粗略統計資料已經表明，天空中每顆恆星都至少伴隨著一顆行星，並且大約五分之一的類太陽恆星擁有一顆位於不太熱、不太冷的“宜居帶”中的岩石星球，液態水可以在那裡存在。瞭解這些世界中是否有任何一個像地球一樣，最好的方法是看到它們——但是從光年之外拍攝行星的照片絕非易事。一個宜居的世界將是一個微弱的點，迷失在其更大、亮度高出 100 億倍的恆星的壓倒性光芒中。瞥見它就像看到螢火蟲在探照燈旁飛舞，或者在撞擊燈塔的波浪上看到一縷生物發光藻類。
對抗光線
地球湍流的、使星光模糊的大氣層是從地面天文臺成像微弱行星的嚴重障礙，大多數專家都同意解決方案是使用太空望遠鏡。但是哈勃望遠鏡及其超大型繼任者——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將於 2018 年發射——都無法接近實現此類觀測所需的高對比度。這兩臺望遠鏡的硬體主要是在行星發現大規模激增之前設計的——當時對其他恆星周圍的世界進行成像仍然被認為是邊緣研究課題。除了攜帶用於一般天體物理學調查和暗能量研究的廣域儀器外，WFIRST 還計劃使用先進的行星成像日冕儀，這是一種望遠鏡內部的儀器，它使用一系列複雜的掩模、反射鏡和透鏡來濾除星光。但是，第二種儀器是後期新增的，WFIRST 的反射鏡和其他光學元件並未針對日冕儀進行最佳化。因此，大多數專家預測，WFIRST 的日冕儀將達不到對地球成像所需的對比度。相反，它將專注於成像氣態巨行星，並且在最有利的情況下，成像一些所謂的“超級地球”或“迷你海王星”，它們大約是我們地球的兩倍大，並且被認為生命前景不佳。
WFIRST 的日冕儀官方上只是一個技術演示器，旨在加速更復雜的日冕儀的開發，這些日冕儀可以收集外星地球的影像——總有一天。拍攝這樣的照片非常具有挑戰性，以至於美國宇航局的初步計劃要求將其推遲 20 年或更長時間，因為該機構正在開發技術和預算空間來建造一個全新的太空望遠鏡，在 WFIRST 之後。在那段時間裡，天文學家將繼續發現天文數字般誘人的行星。
然而，WFIRST 可能會透過一種稱為星罩的技術提供一條捷徑——一種向日葵形狀的、紙一樣薄的螢幕，有半個足球場那麼大，它將漂浮在望遠鏡前方數萬公里處，以與用伸出的拇指遮蔽天空中的太陽非常相似的方式阻擋目標恆星的光線。星罩的羽毛狀形狀旨在防止光波像水流過岩石一樣繞過它流動，這會破壞其超暗陰影。與必須為任何給定望遠鏡的光學器件定製構建且在非常大的望遠鏡上效果最佳的日冕儀不同，星罩幾乎適用於任何尺寸的太空望遠鏡。
這個 JPL 製作的影片重點介紹了日冕儀和星罩之間的差異，這是美國宇航局正在考慮用於未來行星成像太空望遠鏡的兩種技術。
來源：NASA/JPL-Caltech
通往地球的捷徑
去年，美國宇航局的一項研究 (pdf) 發現，可以建造一個功能性星罩，並作為一項獨立任務飛行，與 WFIRST 會合，估計花費五億到十億美元。星罩和望遠鏡協同工作，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。“如果有且僅當它有一個星罩時，WFIRST 才能在下一個十年末而不是等待另外 20 年給我們提供一些真正的藍色地球的影像，”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，他也是美國宇航局星罩研究的合著者。“這是在一個巨大的投資投入到美國宇航局的下一個巨型太空望遠鏡之前，更快、更便宜地找到另一顆地球的真正機會。”
在普林斯頓大學龐大的弗裡克化學實驗室的地下室裡，卡斯丁正熱火朝天地致力於一個試驗檯：一個一米寬、75 米長的管子，一端有一個攝像頭，另一端有一個雷射器，中間有一個縮小尺寸的星罩。他預測，到夏季末，該試驗檯將展示必要的對比度比，將其放大到全尺寸，就可以實現類地行星的成像。
卡斯丁並不孤單地在他的地下室裡工作；一個新興的“星罩社群”現在正在進行額外的工作。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的湖床上和一個亞利桑那州的一個巨型太陽望遠鏡上測試了小型星罩。在美國宇航局噴氣推進實驗室 (JPL)，研究人員正在演示如何製造更大尺寸的星罩的精緻花瓣，將整個結構摺疊在火箭內部，以及展開和展開到棒球場大小。
儘管 WFIRST 距離發射還有近十年時間，但必須儘快做出推進星罩會合準備工作的決定，因為必須對 WFIRST 進行少量修改，以使其能夠與數萬公里空曠空間中的星罩同步。“我們稱之為‘星罩就緒’，”卡斯丁說。“這不在 WFIRST 當前的設計中，我們不能無限期地推遲這些更改……到明年，我們幾乎需要決定是否要使其做好星罩就緒的準備。”
“星罩技術專案”
但到目前為止，美國宇航局高階官員對承諾這樣的任務表示謹慎。“原則上，新增星罩將使 WFIRST 能夠比內部日冕儀更詳細地成像和研究系外行星，”美國宇航局科學任務理事會即將離任的副局長約翰·格倫斯菲爾德說。“然而，星罩技術仍處於起步階段，因此在我們能夠建造一個與 WFIRST 一起飛行的星罩任務之前，我們還有一段路要走。”
一個關鍵的障礙是資金。WFIRST 的預算為 23 億美元，就美國宇航局的主要太空望遠鏡而言，相對而言比較精簡，這受到了其更雄心勃勃但尚未發射的前身——耗資 88 億美元的韋伯——的極端成本增長的限制。由於美國宇航局天體物理學部正在為韋伯的發射做準備，並加緊 WFIRST 的工作，其目前的預算無法同時支援星罩的全速開發。
政治和時機是其他障礙。美國宇航局聲稱的預算限制與該機構單方面選擇主要天體物理學任務的厭惡相吻合。相反，美國宇航局打算讓美國天文學家透過 2020 年的下一次十年調查來規劃其路線，在其中，星罩與 WFIRST 的會合可以與其他各種可能的太空任務的大型選單正式競爭優先地位。“目前沒有計劃在 WFIRST 上安裝星罩，”美國宇航局天體物理學部主任保羅·赫茨說。相反，他說，該機構“處於‘不排除星罩’模式”。不過，碰巧的是，不排除星罩與為建造和發射星罩而進行的協調努力非常相似。
當美國宇航局宣佈正式啟動 WFIRST 時，它還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，星罩可以不受干擾地工作。在許多早期的計劃中，該任務反而註定要進入高地球軌道，在那裡，從我們星球反射的陽光會破壞星罩的精細工作。今年 1 月，美國宇航局成立了一個星罩就緒工作組，以制定計劃，及時驗證星罩的必要技術，以便與 WFIRST 會合。最後，上個月，美國宇航局正式將星罩指定為“技術開發活動”，此舉將該機構所有不同的相關專案整合為一個更具凝聚力的整體。“在內部，我們稱之為‘星罩技術專案’，”美國宇航局系外行星探索計劃首席技術專家尼克·西格勒說，該計劃總部設在 JPL。“目標是在本十年末之前使所有星罩技術成熟，以便我們可以充滿信心地提交它，以供十年調查認可。”
冒險事業
雖然在政治上是謹慎的，但美國宇航局目前將關於星罩-WFIRST 會合的決定推遲到 2020 年代的計劃帶來了重大風險。這幾乎肯定會將任何星罩的發射推遲到 WFIRST 的六年主要任務結束後。美國宇航局的大多數航天器都比其主要任務壽命更長，並在實現其關鍵目標後進入“擴充套件”階段，但任務終止事故或硬體故障可能會發生並且確實會發生。“作為一名科學家，我希望看到星罩與 WFIRST 的主要任務一起飛行，”美國宇航局星罩會合研究主席、麻省理工學院教授莎拉·西格說，“因為我們不能保證 WFIRST 會在其主要任務之外繼續存在。”她補充說，“開普勒任務的主要任務為期四年，猜猜航天器持續了多久？四年。我討厭開發一個星罩，結果卻沒有 WFIRST 可以使用它。美國宇航局那時會做什麼——為我們建造另一臺望遠鏡？這似乎不太可能。”
根據西格勒和其他人的說法，推遲星罩開發的另一個風險是，它可能會阻礙規劃在 WFIRST 之後數年甚至數十年到來的假想太空望遠鏡，一臺帶有 8 米甚至 16 米寬的巨大反射鏡的望遠鏡。這將足夠大，可以搜尋和成像太陽鄰近恆星周圍的數千顆地球——足夠大，最終可以為我們是否在宇宙中是孤獨的這個問題提供一個具有統計意義的答案。就在上個月，美國宇航局包租了兩個團隊來研究和推薦此類望遠鏡的可能設計，命令每個團隊在 2019 年之前將其調查結果提交給該機構——遠在十年調查決定星罩會合之前。“最大的問題是這些研究將選擇哪種星光抑制技術？”西格勒說。“你可能會認為日冕儀處於領先地位，因為它更容易建造和測試，而且你可能是對的。這就是它已經成為 WFIRST 基線的原因之一。星罩可能是一個更好的選擇，但它需要望遠鏡和單獨的航天器，它們之間相隔大約 50,000 公里。在地球上的哪裡可以真正測試這樣的東西？在已經在太空中的望遠鏡上測試星罩，難道不是對納稅人資金的巨大利用嗎？”
在觀測能力方面，這兩種技術是互補的。作為望遠鏡上的另一種儀器，日冕儀可以在天空中的目標之間靈活地穿梭，並在行星發現方面表現出色。相比之下，星罩在目標之間漂移需要數天或數週的時間——但它們以更好的寬頻靈敏度彌補了它們緩慢的速度，這使得它們成為更詳細地研究行星的更佳選擇。
美國宇航局戈達德太空飛行中心的天體物理學家、美國宇航局未來望遠鏡研究之一的首席科學家秋·羅伯格說，找到另一顆地球的正確路徑可能是選擇和使用兩者。“在一個完美的世界裡，完美任務可能同時擁有日冕儀和星罩。任何可以保持兩種選擇都開放的事情對於長期未來都是可取的。”