寻找外星生命可能需要在轨道上建造巨型望远镜

当她用太空手套感受到最后一块零件“咔哒”一声就位时，宇航员停下来欣赏眼前的景色。她的倒影在一个银色的圆盘中晃动，这个圆盘有三个网球场那么大；她觉得自己像一只漂浮在黑暗池塘上的虫子。这个圆盘由数百个像她刚刚安装的那个一样的互锁金属六边形组成，是一面巨大的镜子，宽30米，是有史以来建造的最大太空望远镜的聚光之眼。从她在小型空间站的机械臂上的位置看，地球是一个可以用伸出的拇指遮住的蓝色和白色的小球，在下方数千公里处旋转的明亮而寂静的月球面前显得渺小。

尽管这一场景仍然是科幻小说中的情节，但一个由科学家、工程师和技术专家组成的临时小组现在表示，它正在成为现实。在一个由美国宇航局赞助的适度倡议的主持下，这个多元化的团体正在评估太空机构如何建造比以前认为的更大、更好的太空望远镜——通过在太空建造和维修它们。这项正式名为“太空组装望远镜”研究（iSAT）的工作，是科学进步长期趋势的一部分，科学进步通过利用为更实际的考虑而创造的技术来搭便车。

例如，20世纪冷战期间监视卫星和携带弹头的火箭的开发也催化了行星际探测机器人的创造，甚至是美国宇航局载人阿波罗登月任务。同样，在21世纪，对在轨建造和维修卫星的军事和工业需求的飙升，可能会导致太空望远镜得到显著增强，从而能够明确回答一些科学领域最大的问题——例如我们是否孤独。“iSAT计划可能是美国宇航局的下一个阿波罗计划，”该研究小组成员、美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家马特·格林豪斯说。“而iSAT计划所支持的科学很可能包括发现外星生命——这一成就对人类的影响将超过阿波罗计划。”

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准备好黄金时段

在某些方面，在太空建造和维修航天器是一场已经到来的革命，仅仅是因为近乎完美的记录使其看起来具有欺骗性的常规性而被掩盖。美国宇航局的两项顶峰项目——国际空间站（ISS）和哈勃太空望远镜——都归功于轨道建造工作。国际空间站在轨道上组装和补给了二十多年，现在大约有一个足球场那么大，居住空间比标准的六居室房屋还要大。只有太空维修才使哈勃望远镜成为世界上最具标志性和最成功的望远镜，此前，1993年的一次开创性的维修任务中的航天飞机机组人员修复了该天文台主镜中的一个严重缺陷。此后，宇航员又进行了四次哈勃维修任务，更换设备和升级仪器，使天文台焕然一新。

今天，多个项目正在推进从那些开创性努力中获得的势头，培养强大的新能力。美国宇航局NASA和五角大楼的国防高级研究计划局（DARPA）以及私营部门公司，如诺斯罗普·格鲁曼和空间系统劳拉（SSL）正在建造机器人航天器，以便在未来几年内发射到漫长的任务中，为政府和商业卫星加油、维修、重新定位和升级。这些航天器——或者至少是它们演示的技术——也可以用于在太空组装望远镜和其他大型结构，例如那些与美国宇航局长期规划的载人登月和火星任务相关的结构。去年——在美国宇航局、美国空军和国家侦察办公室之间的“伙伴关系论坛”的主持下——该太空机构牵头制定了一项国家战略，以进一步公共和私人发展2020年代及以后的太空组装技术。

这些趋势可能会结束一些专家认为的太空科学和探索的“黑暗时代”。“想象一下这样一个世界，当你的汽车燃料不足时，你不是开车去加油站加油，而是把它开到垃圾场并抛弃它。想象一下这样一个世界，一旦你第一次搬进你的房子，你就无法再把更多的杂货搬进去，请水管工来修理漏水的管道，或者任何方式来搬进和安装新的电视。想象一下这样一个世界，我们都住在我们可以背在背上的帐篷里，没有人想到要建造任何更大或更永久的东西。这看起来很疯狂，不是吗？”iSAT研究小组成员乔·帕里什说，他是DARPA战术技术办公室的项目经理，负责其地球同步卫星机器人维修（RSGS）任务。“但这正是我们现在拥有的价值10亿美元的太空资产的世界。……我认为，当我们回顾在轨维修和组装之前的时代时，我们会像现在回顾用蚂蟥治疗疾病的时代一样。”

更大就是更好

太空组装背后的基本现实很容易理解：任何进入太空的东西都必须适合将其送入太空的火箭。即使是最大的火箭——美国宇航局仍在开发的太空发射系统（SLS）的猛犸象般的10米火箭整流罩——也无法容纳像国际空间站甚至美国宇航局较小的“门户”这样的东西，这是一个提议在2020年代建造的绕月空间站。将如此庞大的项目分批发射，供宇航员或机器人在轨道上组装，实际上是将它们送上太空的唯一方法。而且巧合的是，即使像SLS这样的巨型“重型”火箭仍然非常昂贵，但可以用多次发射来支持轨道组装的中型火箭却一直在变得更便宜。

对超大型太空望远镜的需求也很直接：望远镜的聚光镜越大，其宇宙视野就越深、越精细。简而言之，当涉及到望远镜时，越大越好——尤其是那些具有变革性目标的望远镜，例如追踪宇宙138亿年历史中星系、恒星和行星的合并，了解暗物质和暗能量的本质，以及在围绕其他恒星运行的可居住世界中寻找生命迹象。今天大多数用于追求如此诱人目标的太空望远镜的设计，其镜面宽度上限为15米——但这仅仅是因为这大约是折叠后可以装入像SLS这样的重型火箭的极限。

天文学家长期以来一直幻想建造更大的太空天文台，其镜面宽度为30米或更大——与已经在2020年代建造的地面望远镜的尺寸相媲美。这些庞然大物远离我们星球散射星光的大气层，可以完成地面观测者只能梦想的壮举，例如拍摄可能类似地球的世界的照片，这些世界围绕着大量其他恒星运行，以确定这些世界实际上是否适合居住——甚至有人居住。如果以我们自己的地球为例，生命是一种行星现象，它可以以清晰可辨的方式改变其家园世界的 атмосферу и поверхность；前提是，人们必须有一个足够大的望远镜才能看到跨星际距离的这些细节。

美国国家科学院、工程院和医学院最近发布的一份“系外行星科学战略”报告称，美国宇航局应牵头建造一个新的大型太空望远镜，开始接近宏伟愿景——能够调查数百颗（或至少数十颗）附近的恒星，以拍摄潜在的系外地球的快照。该建议（本身就是之前几项著名研究的回声）得到了另一份新的科学院报告的核心结论的加强，该报告呼吁该机构使寻找外星生命成为其未来太空探索活动更基本的一部分。这些报告建立在日益增长的共识之上，即我们的星系可能拥有数十亿个潜在的可居住世界，这要归功于美国宇航局最近退役的开普勒太空望远镜和该太空机构新发射的凌星系外行星巡天卫星的统计数据。无论是从科学进步、技术能力还是公众利益的角度来看，建造寻找生命的太空望远镜的理由都比以往任何时候都更加充分——并且还在稳步加强。迟早，美国宇航局似乎会发现自己承担着在星际间寻找生命方面实现这一期待已久的巨大飞跃的任务。

这样一个望远镜要有多大才能为星际探索任务提供合理的成功机会，这取决于生命仍然未知的宇宙普遍性。如果运气好的话，一个配备4米镜面的望远镜可能就足以中大奖，在我们太阳系最近的邻近恒星之一周围找到一颗有人居住的系外地球。但是，如果宇宙不太友善，并且最近的载有生命的世界要远得多，那么超过近未来火箭施加的15米限制的望远镜可能是必要的，以便在我们太阳系银河系的角落中嗅出任何有生命的行星。简而言之，太空组装可能为完成人类结束宇宙孤独感这一长达千年的努力提供唯一可行的途径。

十年展望

美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的天体物理学家、该太空机构系外行星探索计划的首席技术专家尼克·西格勒说：“科学家们已经遇到了一个设计限制，以实现他们想要推进的科学。”。“如果这个特定的限制不存在呢？这就是太空组装提供的——有机会突破界限，无论是在科学发现还是人类探索方面。”西格勒与美国宇航局戈达德高级科学家哈雷·特朗森和JPL机器人专家鲁德拉·穆克吉一起，在2016年末组建了未来的组装和服务研究小组（FASST），并在2017年初在德克萨斯州的一次天体物理学会议上组织了该小组的首次会议。

iSAT研究是美国宇航局资助的第一个FASST活动，但可能不是最后一个。该团队的目标不仅仅是另一群与世隔绝的学者提出空中楼阁的想法。其成员包括头脑冷静的资深太空飞行员，如约翰·格伦斯菲尔德，他是一位前宇航员和美国宇航局科学项目负责人，曾在五次哈勃维修任务中的三次中担任轨道维修人员。格伦斯菲尔德和其他参与者表示，该团队的意图与其说是说服太空机构支持太空望远镜组装，不如说是澄清该方法的潜在好处和缺点。“在太空组装望远镜显然会产生更大的望远镜，但为什么、是什么、如何、风险、成本以及何时进行太空组装的答案尚不存在，”团队成员罗恩·波利丹说，他现在是美国宇航局和诺斯罗普公司太空技术开发的退休专家。

然而，已经确定的是，该小组对美国宇航局近期计划产生有意义影响的时间不多了。该团队目前正在频繁地进行电话会议，全力以赴完成一项“概念验证”研究，该研究检查了一个假设的镜面直径为20米的望远镜的太空组装。这样一个望远镜的模块化组件会是什么样的，它会在太空的哪个位置建造和运行，哪些火箭和航天器会支持它，需要多少次发射？望远镜的部件将由宇航员还是机器人组装？而且，也许最重要的是，太空组装能否成为一种具有成本竞争力的建造小型太空望远镜的方法，而这些望远镜原本会遵循从单枚火箭上存放和部署的传统？iSAT团队的报告将在明年春天发布时解答这些问题。

对于可能影响美国宇航局提议的月球门户的最终设计来说，这个时间点很重要，月球门户可以用作深空建造平台。iSAT研究的时间点也与天体物理学“十年调查”的开始重叠，这是一个每10年一次的过程，美国研究界在其中创建一个优先排序的未来项目清单，供美国宇航局和国会遵循。十年调查最具影响力的建议将是一个价值数十亿美元的太空望远镜，用于2030年代——一个“旗舰”项目，这是该太空机构开展的最大级别的科学任务。

美国宇航局赞助的四项科学和技术定义团队（STDT）研究目前正在进行中，以 anticipation of the Decadal Survey，每项研究都基于科学、技术和预算方面的考虑，开发一个独特的旗舰概念和相关的科学目标套件。根据西格勒和其他美国宇航局官员的说法，四项STDT研究中最大的两项设计——都以系外行星成像为首要目标——已经达到了美国宇航局新兴的SLS重型火箭最强大版本的尺寸或重量限制。但到目前为止，这四项研究都没有纳入对太空组装技术的有意义的考虑。

西格勒对此并不感到惊讶。“STDT都在出色地完成工作，提出引人注目的科学，同时也努力最大限度地降低他们的任务成本，”他说。“[太空组装]尚未显示它如何降低成本，并且从他们的角度来看，它可能显得增加了复杂性。我们的研究有责任展示好处在哪里，如果它们真的存在的话。”

波利丹提出了更直率的评估。“一些社区成员曾私下向我建议，我们等到十年调查之后再进行iSAT研究，”他说。“所有这些评论都是由于目前缺乏对在太空组装望远镜的详细定义，以及担心它会看起来‘太好’，并以某种方式影响十年委员会走上一条对于天体物理学来说风险太大或成本太高的道路。”

韦伯的警示故事

一个新的超大型太空望远镜对于美国天体物理学界的许多人来说可能很难推销，无论它是在地面还是在太空建造。根据美国宇航局问题缠身的下一个即将发射的旗舰项目：詹姆斯·韦伯太空望远镜，它旨在瞥见宇宙最早的恒星和星系，这两种方法都可能对美国宇航局来说太过分了。“人们仍然对韦伯事件感到创伤，这是理所当然的——他们担心类似的事情会再次发生，”俄亥俄州立大学的天文学家、“系外行星科学战略”报告的合著者斯科特·高迪说。

该项目取决于一个可折叠的6.5米镜面和一个更大的“遮阳罩”——每个都是有史以来发射的最大的——在天文台前往月球之外的黑暗、安静的点，并且超出美国宇航局宇航员队伍的维修或服务能力范围的令人紧张的自我部署。确保一切按计划进行已被证明非常昂贵。从1996年16亿美元的假定预算和最早可能在2007年发射的日期开始，韦伯的实际价格标签已膨胀到近100亿美元，望远镜的发射现在暂定不早于2021年。为支付韦伯超支的资金部分来自蚕食许多其他有价值的项目，这对美国宇航局的太空科学投资组合和几乎所有研究人员的沮丧情绪都造成了总体损害。

一位不愿透露姓名的著名天体物理学家说：“在进入十年调查时，我担心十年委员会会因成本而感到恐惧，以至于他们不会推荐任何旗舰项目。”。“如果十年调查——实际上是社区——过于胆怯，没有推荐一个大型战略任务，那么就会变成一个自我实现的预言，即根本不会有这样一个项目。”反过来，这可能导致美国将其在太空天文学领域的领先地位让给竞争国家，即中国，中国也有自己的太空组装计划——包括由航天员照料的轨道天文台。由此导致的科学家和工程师为了更公平的国际海岸而外流，可能会在几代人的时间里摧毁美国太空科学，对美国继续作为全球超级大国产生深远的影响。

“一个非常充分的理由去做这件事”

所有这一切是证明韦伯支持还是反对太空组装和服务是一个有争议的问题。镜面或遮阳罩在发射后部署中的任何小故障都可能使韦伯成为价值100亿美元的无法运行的太空垃圾——当然，这假设望远镜完全逃离了地球，而不是成为其运载火箭不太可能但可能发生的故障的受害者。原则上，在轨道上建造和测试望远镜可以减少或消除这些和其他威胁——尽管可能需要更高的价格标签。“太空组装将完全消除折叠和部署韦伯的要求，此外，发射失败不一定是任务失败，”西格勒指出。

即使韦伯的一切都按计划进行，它也没有被设计为可维修的（不像它的前身哈勃——或者，就此而言，它的继任者，一个计划中的韦伯后旗舰项目，名为WFIRST）。在到达其深空目的地后大约十年内，韦伯将耗尽燃料，大概会注定其太空垃圾的命运。“这令人震惊，”iSAT研究小组成员、DARPA RSGS计划的前负责人戈登·罗斯勒说。“如果韦伯能够持续更长时间，那不是很好吗？[iSAT]的普遍想法是，像韦伯这样的东西作为一项50年的任务更有意义，我们可以从一开始就计划访问它，补充消耗品，更换零件，并安装具有更好技术的新仪器。”

由于所有这些原因，尽管韦伯作为2020年代太空天文学的首要设施及其相关的丰富新技术可以输入到更先进的未来天文台中，但许多iSAT团队成员认为该项目是一个不可持续的“进化死胡同”，其时代在某些方面已经过去。从其令人惊叹但有缺陷的遗产中产生的一切，不仅取决于iSAT研究和十年调查的结果，还取决于科学家和政策制定者拥抱大胆的、改变范式的新方法的勇气。

太空望远镜科学研究所所长肯·森巴赫说：“在理解什么是可能的时，科学界有时是自己最大的敌人。”。“我们中的一些人现在有一个先入为主的观念，即不可能建造另一架比韦伯更大，是的，可能更昂贵的望远镜。但我一直与年轻的研究人员、国会和公众交谈，他们都问，‘我们为什么不考虑更大的？’人们想要支持雄心勃勃的事情。所以这是可能的——只要有一个非常充分的理由去做这件事。”