為了解開我們真正在宇宙中位置這個存在了千年的謎團，第一步發生在一個出乎意料的地點：華盛頓特區一家酒店裡一間樸實無華的會議室，在一個涼爽的週二清晨。在這裡，一群傳奇英雄在萬聖節集結——其中包括甘道夫和一位《星際迷航》的艦長。然而，這些不僅僅是科學家們為了不給糖就搗蛋而穿上的戲服。它們是一個恰如其分的比喻，象徵著被選出來開始一項可想象的最偉大任務之一的 60 位天文學家，這項任務不僅在空間科學領域，而且在整個人類歷史的範圍內都是如此：設計一架能夠找到或駁斥其他恆星周圍行星上生命跡象的望遠鏡。這樣的目標似乎幾乎是異想天開。我們真的能建造一個耗資數十億美元的觀測站，並有很大機會在太陽系以外的世界中發現外星人嗎？答案似乎是我們可以，而且如果能夠克服一系列關鍵的決定，我們將做到。生命可能在宇宙中非常豐富，也可能極其罕見——瞭解哪個更接近真相將是劃時代的。NASA 領導的這個專案的目標是“獲得足夠的觀測結果，從而知道是哪種情況，”加州大學伯克利分校的考特尼·德雷辛說。
宜居世界天文臺（HWO）計劃在 2040 年左右發射，這將是迄今為止建造的最雄心勃勃、最精密的望遠鏡。但其主要目標卻幼稚地簡單——在 25 個類地世界中尋找生命。“這是有史以來建造的第一架能夠真正以科學方式解決太陽系外生命有多普遍的望遠鏡，”馬里蘭州巴爾的摩市太空望遠鏡科學研究所的馬克·波斯特曼說。“可能是百分之零，也可能是百分之百，或者介於兩者之間。我們真的沒有任何測量資料。” 這段旅程還處於初期階段；如果把它想象成 100 米的發射賽跑，我們現在還只是“穿上鞋子”，德雷辛說。但終點線等待著的獎品令人著迷，這將是對我們理解自身在宇宙中地位的一種文化轉變。“這可能是一項改變社會的發現，”波斯特曼說。
HWO 將迎來一個與眾不同的時代，一個我們真正瞭解地球在群星中地位的時代。然而，前方的道路充滿了挑戰，尤其是建造這樣一臺機器所面臨的巨大技術和政治障礙。我們能否克服所有困難，首次瞥見其他有生命的星球？尋找和研究外星地球的旅程將跨越幾代人——但隨著最近一次會議，HWO 的架構師們已經邁出了最意義重大的第一步。
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超級哈勃
如果外星生命確實存在，它們並沒有輕易地為人所知。我們一直在尋找來自智慧文明的訊號，搜尋我們太陽系的世界，並試探性地探測了一些星際間的行星大氣層，但迄今為止，宇宙鄰居的明確跡象仍然難以捉摸。到目前為止，天文學家已經發現了 5,500 多個圍繞其他恆星執行的世界。其中大多數往往是不適宜居住的、質量大且炎熱的世界。少數質量和大小接近地球的行星突破了我們所知的生命存在的可能性邊界；它們圍繞著比我們的太陽小得多的紅矮星緊密軌道執行。為了真正檢驗宇宙生命的前景，我們需要找到並研究非常像地球的行星，它們圍繞著像我們太陽一樣的恆星執行。“在科學界，這已經醞釀了很長時間，”德雷辛說。
2021 年，美國國家科學、工程和醫學院指示 NASA 開始研製一種機器，以實現這一目標，作為其十年調查的一部分，該調查每 10 年為美國宇航局提供一次行動指令。十年調查委員會重點關注了兩個提議的望遠鏡，它們能夠勝任這項任務——一個名為大型紫外/光學/紅外巡天儀（LUVOIR），另一個名為宜居系外行星天文臺（HabEx）——其最終報告將兩者合併為一個想法。該報告指示 NASA 建造一架望遠鏡，該望遠鏡能夠觀測紅外、光學和紫外光，並“從大約 25 顆宜居帶行星中尋找生物特徵”。透過望遠鏡的光學系統，每個世界充其量只是一個孤獨、微弱的光點——這看起來微不足道，但這足以研究行星大氣層的化學成分，以尋找生命跡象，例如氧氣和甲烷等氣體，總估計成本不超過 110 億美元（以 2020 年美元計算）。NASA 總部天體物理學部主任馬克·克拉姆平後來給這個混合望遠鏡起了現在的名字。“我認為真正捕捉到我們正在做的事情的精神的名字是宜居世界天文臺，”克拉姆平說。“這是我們被賦予的任務。”
望遠鏡的建造還有數年之遙。然而，在 2023 年 9 月，NASA 選定了一個由約 60 位科學家組成的團隊，開始規劃 HWO 的高階“零件清單”及其關鍵元件。預計這兩個團隊，一個名為科學、技術、架構審查團隊（START），另一個名為技術評估小組（TAG），將在未來一年中每隔幾個月舉行正式的公開會議，同時也會舉行規模較小、頻率更高的組內會議，以及與更廣泛的天文學界的討論。“這將是忙碌的一年，”NASA 總部 HWO 專案科學家梅根·安斯德爾說。
10 月 31 日在華盛頓特區開始的為期三天的活動是這些規劃會議中的第一次——十年賽跑中讓 HWO 成為現實的發令槍。“我想鼓勵大家深呼吸……稍微呼吸一下，”夏威夷 W. M. 凱克天文臺的約翰·奧米拉說，他是 START 的聯合主席，後來恰如其分地穿上了甘道夫的服裝，在會議的第一天。“走到今天這一步花了很多時間。走到下一步還需要很長時間……我們將長期合作。” 雖然參加這次歡慶會議的虛擬和現場與會者總數約為 200 人，“但需要數百甚至數千人才能把這件事做好，”奧米拉說。“我不知道這個天文臺什麼時候發射。但我確實向我的妻子保證，它發射的時候我就退休。”
規劃會議的一個關鍵主題是，儘管 HWO 以宜居世界命名，但該天文臺應該提供更多，而不僅僅是來自假想的映象地球的光線。對類地系外行星進行成像所需的光學器件的巨大性，也將使 HWO 非常適用於許多其他天文任務——類似於其前輩，如 NASA 的哈勃望遠鏡和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的工作。“研究暗物質是一種可能性，星際介質、星系——幾乎天體物理學的各個方面都是，”馬里蘭州 NASA 戈達德太空飛行中心的李·範伯格說。“這將是一個通用級天文臺。” 讓這個資訊明確將是關鍵，NASA 戈達德的簡·裡格比，JWST 的高階專案科學家，在會議第二天的演講中說。“我們還有很多工作要做，”她說。“我們應該停止稱它為‘宜居世界’，因為這個[名字]告訴普通天體物理學界，‘這不適合你們。’” 波斯特曼簡單地將其描述為：“這真的就像一個‘超級哈勃’，”他說。
暗淡藍點
HWO 在規劃者腦海中逐漸形成的願景看起來像是介於 JWST 和哈勃望遠鏡之間的設計。望遠鏡的主鏡很可能像 JWST 的那樣，被分成蜂窩狀的片段——這樣就可以摺疊起來，放入正在開發的幾種大型新型火箭之一，例如 SpaceX 的星艦或藍色起源的新格倫。 “我們認為分段是未來的方向，”克拉姆平說。主鏡的尺寸——它極大地影響了 HWO 的最終敏銳度——尚未最終確定，但至少將與 JWST 的 6.5 米（21 英尺）相當，並可能擴大到 9 米（30 英尺）。與 JWST 一樣，該望遠鏡可能會配備巨大的可展開遮陽罩，以阻擋來自我們母恆星的入射光，並將駐紮在距離地球 150 萬公里的深空位置。然而，與 JWST 不同的是，JWST 深入紅外線以觀察古代星系微弱的熱輝光，HWO 不需要極端的低溫冷卻即可執行其觀測。HWO 的主鏡可能被儲存在一個桶狀管中，就像哈勃望遠鏡那樣，而不是展開的遮陽罩。這種遮罩可能會解決 JWST 面臨的最令人擔憂的問題之一：微流星撞擊已經撞擊並凹陷了其大型外露主鏡。“很多人認為[遮罩]看起來不錯，”NASA 戈達德天體物理技術和戰略副主任秋季·羅伯格說。
儘管 HWO 的發射還有很多年，但其關鍵設計特徵已經開始顯現。望遠鏡可能不會像這裡所示的 15 米 LUVOIR 概念那樣大，但它很可能包括一個大型分段主鏡，或許還有一個龐大的保護性遮陽罩。HWO 的架構甚至可能在發射後繼續發展；該望遠鏡被設計為允許維修任務，以便進行重大升級和維修。圖片來源： NASA GSFC
HWO 最偉大的技術挑戰——對類地行星進行成像——實際上是雙重的：望遠鏡不僅需要一種方法來消除行星恆星原本會壓倒一切的眩光，還需要一種方法來保持自身靜止不動，以便將目標世界保持在其視野中。JWST 的設計目標是展示低至微米二十分之一的目標漂移——微米是百萬分之一米，是人類頭髮寬度的幾分之一。範伯格說，該望遠鏡的效能已經超過了這些能力 10 倍，這意味著它的穩定性在人類 DNA 鏈的範圍內。令人難以置信的是，HWO 仍然需要“可能好 1000 倍”，他說，穩定性高達數十皮米——皮米是一個萬億分之一米的測量單位，小於氫原子的半徑。HWO 不需要始終如此穩定，但當它觀察其他地球時，它需要使用這種超穩定性模式。HWO 的規劃者說，一組可變形光學器件——望遠鏡的一些反射鏡能夠稍微彎曲以消除任何誤差——將是實現這一壯舉的幾個關鍵工具之一。
為了記錄來自地球外雙胞胎行星的單光子反射光，HWO 首先需要濾除來自行星類太陽恆星的大約 100 億個光子。日冕儀——本質上是望遠鏡光學系統中一個小的、精確成形的圓盤，用於遮擋恆星，但允許行星光線透過——很可能是 HWO 實現這項艱鉅任務的主要方式。HWO 的概念性日冕儀將限制在相對較小的波長範圍內——針對地球大小的世界在類太陽恆星的宜居帶或“金髮姑娘區”軌道執行進行最佳化靈敏度，該環星區域的溫度可能既不太熱也不太冷，以至於液態水無法存在。NASA 的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡計劃於 2027 年發射，它將包括 HWO 日冕儀的技術先驅，儘管這種日冕儀將羅曼望遠鏡的成像行星限制為大於木星的行星。羅曼望遠鏡日冕儀的效能將為 HWO 更宏大的目標提供關鍵資訊。“[羅曼上的]日冕儀是一項技術演示，”德雷辛說。“對於 HWO 來說，它是一臺關鍵儀器。”
另一種抑制星光的方法是使用巨大的、向日葵形狀的“星罩”，它在太空中飛翔，遠遠領先於 HWO 的凝視，從而在其光學器件上投下深邃的、揭示行星的陰影。但是，與日冕儀相比，單獨的航天器是一種更復雜、更笨拙的星光抑制解決方案，因此不太可能從一開始就成為 HWO 的一部分。相反，大多數專家認為星罩是發射後可能增加的附加裝置。“您可以想象發射配備日冕儀的 HWO，進行初步觀測，然後在稍後發射星罩，”德雷辛說。這樣就可以比單獨使用日冕儀更遠距離、更詳細地看到行星。
藉助這些技術中的任何一種，HWO 都應該能夠提供潛在宜居外星世界的照片，類似於著名的“暗淡藍點”影像，該影像是旅行者 1 號探測器在 1990 年應著名天文學家卡爾·薩根的要求拍攝的地球照片。HWO 將具體瞄準哪些系統仍未決定。在距離地球 100 光年的範圍內，大約有 500 顆類太陽恆星——這大約是 HWO 的尋找生命調查可能看到的距離。2023 年 1 月，NASA 系外行星探索計劃的副專案首席科學家埃裡克·馬馬傑克與人合著了一份最值得觀測的恆星清單，這些恆星都在這個空間範圍內。“我懷疑前 50 名左右的恆星很可能最終會進入最終的調查名單，”他說。
確定目標列表很複雜，因為只有 HWO 可能能夠探測到這些恆星周圍宜居帶中的地球，這意味著它將同時充當調查者和審查者；目前計劃中的其他任何望遠鏡都無法與之媲美。這確實提出了一個問題，即在未來幾年是否能找到足夠的目標來充當 HWO 存在的理由，但就目前而言，大多數天文學家似乎並不擔心。代理測量仍然可以縮小 HWO 的目標範圍。“如果宜居帶的正中央有一顆木星，你可能不想費心在那裡尋找地球，”加州大學聖克魯茲分校加州大學天文臺主任布魯斯·麥金託什說。“但這實際上對於任務的成功並不那麼重要，知道這顆恆星有一顆地球，而那顆沒有，因為最好的地球探測器將是我們正在建造的任務”——HWO。
文藝復興
對望遠鏡究竟指向何處的擔憂是該專案可能面臨的最大挑戰之一：確保在看到專案完成所需的數十年中，公眾和國會（最終將為 HWO 提供資金）都給予堅定不移的支援。“我們需要[NASA]總部、國會、公眾和業界的擁護者，以便在情況艱難時，他們能代表我們說話，”NASA 戈達德的馬修·博爾卡在 HWO 規劃會議第二天的演講中說。會上深入討論了從 JWST 中吸取的教訓，JWST 曾受到令人尷尬且可能造成災難性後果的預算超支和進度延誤的困擾。為了避免重蹈覆轍，HWO 是 NASA 一項名為“偉大天文臺任務和技術成熟計劃”（GOMAP）的新計劃的掌上明珠，該計劃將仔細管理該機構未來大型太空望遠鏡專案的預算和進展。
然而，JWST 儘管遭遇挫折，但最終取得了成功，這可能是樂觀的理由。“在我們發射前的十年裡……我數不清有多少人說，‘這東西永遠不會起作用，’”裡格比在她的演講中說；但是，她說，天文臺超出預期的效能表明“這是一件可行的事情。” 而且，許多 HWO 的規劃者急切地指出，它將比 JWST 具有一個主要優勢，那就是它從一開始就被設計成可維修的，就像哈勃望遠鏡一樣。這意味著機器人或宇航員可以訪問望遠鏡，定期為其賦予新的生命，進行維修並更換儀器，“有點像宜家風格，”羅伯格說。
如果 HWO 背後的技術和科學能夠最終確定，望遠鏡的資金能夠得到保障，並且對該專案的支援能夠保持下去，那麼回報幾乎是難以估量的。在其對銀河系這個角落中大約二十幾個地球的研究中，HWO 將告訴我們這些世界中是否有任何世界可以支援生命，或者今天可能仍然可以支援生命。在最樂觀的情況下，它甚至可能看到技術文明的跡象，例如來自假想外星大都市的夜間燈光，或者外星大氣層中工業汙染的明顯跡象。“你可能會使用這架望遠鏡來尋找‘技術特徵’——不僅僅是細菌等簡單生命的證據，而是能夠建造機器、工業、電力以及所有這些先進生命的證據，”波斯特曼說。這種可能性可能看起來牽強附會，但仍然處於技術可行性的邊緣——而且，如果不進行此類搜尋，成功的可能性將永遠為零。
另一方面，HWO 可能會仔細檢查其目標，但發現沒有一個目標包含我們認可的任何生命跡象，無論是原始的還是其他的。這樣的結果會令人失望，但同樣有用。這將是迄今為止最好的證據，表明地球在宇宙意義上確實是特殊的——銀河系中一個看似毫無生氣的口袋中珍貴的綠洲。“你將對現在生命有多麼稀有有一個很好的上限，”波斯特曼說。德雷辛推測，對一個有生命的星球進行可靠的探測可能會極大地改變我們的文化，激發“藝術和文學的全新文藝復興”——更不用說對更具遠見卓識的太空望遠鏡進行更大的投資了。相反，未能找到任何東西可能看起來令人沮喪，但實際上根本不是“失敗”——我們人類將再次發現自己似乎孤獨地站在宇宙之巔，在一個擁有深刻特權的地方，我們最好更好地培育和尊重它。“這兩種結果從科學和哲學的角度來看都非常有趣，”波斯特曼說。我們正在繫緊鞋帶，開始奔向終極獎品的比賽。一個無與倫比的知識領獎臺在等待著我們。