美国宇航局的下一代大型太空望远镜能否拍摄到围绕另一颗恒星运行的外星类地行星的照片？天文学家长期以来梦想着这样的照片，这将使他们能够研究太阳系以外的世界，寻找宜居性和生命的迹象。但是，自从天文学家有梦想以来，实现这些梦想的技术似乎还需要几十年。然而，现在，越来越多的专家认为，美国宇航局的广域红外巡天望远镜 (WFIRST) 可以拍摄“其他地球”的快照——而且很快。该机构于今年 2 月正式启动了 WFIRST 的工作，并计划在 2025 年发射该天文台。
WFIRST 的构想始于 2010 年，是美国国家科学院十年调查报告的首要优先事项，该报告来自美国天文学家，提出了美国宇航局和其他联邦科学机构未来任务的愿望清单。该望远镜的核心是一个2.4 米的镜面，虽然尺寸和质量与哈勃太空望远镜相同，但它承诺提供比哈勃望远镜所能管理的任何事物大一百倍的天空全景图。WFIRST 的主要目标是使用名为广域仪器的相机，研究暗能量，即驱动宇宙加速膨胀的神秘力量。但另一个热门话题——探索我们在宇宙中是否孤独的存在主义问题——已经影响了这项任务。
自十年调查报告关键性地将 WFIRST 推荐为美国宇航局下一代天体物理学任务的首要优先事项以来，研究人员已经发现了超过一千颗系外行星——围绕其他恒星运行的行星。他们预计在未来 10 年内会发现数万颗。当 WFIRST 调查银河系的银河核球，寻找行星从它们前面经过时短暂变亮的恒星时，它本身就会发现许多行星，充当引力透镜来放大它们的光线。这项调查可能会产生至少与美国宇航局非常成功的行星搜寻者开普勒太空望远镜一样多的世界，后者使用不同的技术在硬件故障结束其 2013 年的主要任务之前，捕获了约 5,000 颗可能的行星。
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已知行星的粗略统计数据已经表明，天空中每颗恒星都至少伴随着一颗行星，并且大约五分之一的类太阳恒星拥有一颗位于不太热、不太冷的“宜居带”中的岩石星球，液态水可以在那里存在。了解这些世界中是否有任何一个像地球一样，最好的方法是看到它们——但是从光年之外拍摄行星的照片绝非易事。一个宜居的世界将是一个微弱的点，迷失在其更大、亮度高出 100 亿倍的恒星的压倒性光芒中。瞥见它就像看到萤火虫在探照灯旁飞舞，或者在撞击灯塔的波浪上看到一缕生物发光藻类。
对抗光线
地球湍流的、使星光模糊的大气层是从地面天文台成像微弱行星的严重障碍，大多数专家都同意解决方案是使用太空望远镜。但是哈勃望远镜及其超大型继任者——詹姆斯·韦伯太空望远镜将于 2018 年发射——都无法接近实现此类观测所需的高对比度。这两台望远镜的硬件主要是在行星发现大规模激增之前设计的——当时对其他恒星周围的世界进行成像仍然被认为是边缘研究课题。除了携带用于一般天体物理学调查和暗能量研究的广域仪器外，WFIRST 还计划使用先进的行星成像日冕仪，这是一种望远镜内部的仪器，它使用一系列复杂的掩模、反射镜和透镜来滤除星光。但是，第二种仪器是后期添加的，WFIRST 的反射镜和其他光学组件并未针对日冕仪进行优化。因此，大多数专家预测，WFIRST 的日冕仪将达不到对地球成像所需的对比度。相反，它将专注于成像气态巨行星，并且在最有利的情况下，成像一些所谓的“超级地球”或“迷你海王星”，它们大约是我们地球的两倍大，并且被认为生命前景不佳。
WFIRST 的日冕仪官方上只是一个技术演示器，旨在加速更复杂的日冕仪的开发，这些日冕仪可以收集外星地球的图像——总有一天。拍摄这样的照片非常具有挑战性，以至于美国宇航局的初步计划要求将其推迟 20 年或更长时间，因为该机构正在开发技术和预算空间来建造一个全新的太空望远镜，在 WFIRST 之后。在那段时间里，天文学家将继续发现天文数字般诱人的行星。
然而，WFIRST 可能会通过一种称为星罩的技术提供一条捷径——一种向日葵形状的、纸一样薄的屏幕，有半个足球场那么大，它将漂浮在望远镜前方数万公里处，以与用伸出的拇指遮蔽天空中的太阳非常相似的方式阻挡目标恒星的光线。星罩的羽毛状形状旨在防止光波像水流过岩石一样绕过它流动，这会破坏其超暗阴影。与必须为任何给定望远镜的光学器件定制构建且在非常大的望远镜上效果最佳的日冕仪不同，星罩几乎适用于任何尺寸的太空望远镜。
这个 JPL 制作的视频重点介绍了日冕仪和星罩之间的差异，这是美国宇航局正在考虑用于未来行星成像太空望远镜的两种技术。
来源：NASA/JPL-Caltech
通往地球的捷径
去年，美国宇航局的一项研究 (pdf) 发现，可以建造一个功能性星罩，并作为一项独立任务飞行，与 WFIRST 会合，估计花费五亿到十亿美元。星罩和望远镜协同工作，可以拍摄大约 40 颗行星的照片，其中包括一些在大小和轨道上与地球相似的行星。“如果有且仅当它有一个星罩时，WFIRST 才能在下一个十年末而不是等待另外 20 年给我们提供一些真正的蓝色地球的图像，”普林斯顿大学教授兼 WFIRST 日冕仪首席科学家杰里米·卡斯丁说，他也是美国宇航局星罩研究的合著者。“这是在一个巨大的投资投入到美国宇航局的下一个巨型太空望远镜之前，更快、更便宜地找到另一颗地球的真正机会。”
在普林斯顿大学庞大的弗里克化学实验室的地下室里，卡斯丁正热火朝天地致力于一个试验台：一个一米宽、75 米长的管子，一端有一个摄像头，另一端有一个激光器，中间有一个缩小尺寸的星罩。他预测，到夏季末，该试验台将展示必要的对比度比，将其放大到全尺寸，就可以实现类地行星的成像。
卡斯丁并不孤单地在他的地下室里工作；一个新兴的“星罩社区”现在正在进行额外的工作。航空航天公司诺斯罗普·格鲁曼公司已经在内华达州的一个干涸的湖床上和一个亚利桑那州的一个巨型太阳望远镜上测试了小型星罩。在美国宇航局喷气推进实验室 (JPL)，研究人员正在演示如何制造更大尺寸的星罩的精致花瓣，将整个结构折叠在火箭内部，以及展开和展开到棒球场大小。
尽管 WFIRST 距离发射还有近十年时间，但必须尽快做出推进星罩会合准备工作的决定，因为必须对 WFIRST 进行少量修改，以使其能够与数万公里空旷空间中的星罩同步。“我们称之为‘星罩就绪’，”卡斯丁说。“这不在 WFIRST 当前的设计中，我们不能无限期地推迟这些更改……到明年，我们几乎需要决定是否要使其做好星罩就绪的准备。”
“星罩技术项目”
但到目前为止，美国宇航局高级官员对承诺这样的任务表示谨慎。“原则上，添加星罩将使 WFIRST 能够比内部日冕仪更详细地成像和研究系外行星，”美国宇航局科学任务理事会即将离任的副局长约翰·格伦斯菲尔德说。“然而，星罩技术仍处于起步阶段，因此在我们能够建造一个与 WFIRST 一起飞行的星罩任务之前，我们还有一段路要走。”
一个关键的障碍是资金。WFIRST 的预算为 23 亿美元，就美国宇航局的主要太空望远镜而言，相对而言比较精简，这受到了其更雄心勃勃但尚未发射的前身——耗资 88 亿美元的韦伯——的极端成本增长的限制。由于美国宇航局天体物理学部正在为韦伯的发射做准备，并加紧 WFIRST 的工作，其目前的预算无法同时支持星罩的全速开发。
政治和时机是其他障碍。美国宇航局声称的预算限制与该机构单方面选择主要天体物理学任务的厌恶相吻合。相反，美国宇航局打算让美国天文学家通过 2020 年的下一次十年调查来规划其路线，在其中，星罩与 WFIRST 的会合可以与其他各种可能的太空任务的大型菜单正式竞争优先地位。“目前没有计划在 WFIRST 上安装星罩，”美国宇航局天体物理学部主任保罗·赫茨说。相反，他说，该机构“处于‘不排除星罩’模式”。不过，碰巧的是，不排除星罩与为建造和发射星罩而进行的协调努力非常相似。
当美国宇航局宣布正式启动 WFIRST 时，它还确认该望远镜将发射到距离地球 150 万公里的轨道上，那里的条件足够平静，星罩可以不受干扰地工作。在许多早期的计划中，该任务反而注定要进入高地球轨道，在那里，从我们星球反射的阳光会破坏星罩的精细工作。今年 1 月，美国宇航局成立了一个星罩就绪工作组，以制定计划，及时验证星罩的必要技术，以便与 WFIRST 会合。最后，上个月，美国宇航局正式将星罩指定为“技术开发活动”，此举将该机构所有不同的相关项目整合为一个更具凝聚力的整体。“在内部，我们称之为‘星罩技术项目’，”美国宇航局系外行星探索计划首席技术专家尼克·西格勒说，该计划总部设在 JPL。“目标是在本十年末之前使所有星罩技术成熟，以便我们可以充满信心地提交它，以供十年调查认可。”
冒险事业
虽然在政治上是谨慎的，但美国宇航局目前将关于星罩-WFIRST 会合的决定推迟到 2020 年代的计划带来了重大风险。这几乎肯定会将任何星罩的发射推迟到 WFIRST 的六年主要任务结束后。美国宇航局的大多数航天器都比其主要任务寿命更长，并在实现其关键目标后进入“扩展”阶段，但任务终止事故或硬件故障可能会发生并且确实会发生。“作为一名科学家，我希望看到星罩与 WFIRST 的主要任务一起飞行，”美国宇航局星罩会合研究主席、麻省理工学院教授莎拉·西格说，“因为我们不能保证 WFIRST 会在其主要任务之外继续存在。”她补充说，“开普勒任务的主要任务为期四年，猜猜航天器持续了多久？四年。我讨厌开发一个星罩，结果却没有 WFIRST 可以使用它。美国宇航局那时会做什么——为我们建造另一台望远镜？这似乎不太可能。”
根据西格勒和其他人的说法，推迟星罩开发的另一个风险是，它可能会阻碍规划在 WFIRST 之后数年甚至数十年到来的假想太空望远镜，一台带有 8 米甚至 16 米宽的巨大反射镜的望远镜。这将足够大，可以搜索和成像太阳邻近恒星周围的数千颗地球——足够大，最终可以为我们是否在宇宙中是孤独的这个问题提供一个具有统计意义的答案。就在上个月，美国宇航局包租了两个团队来研究和推荐此类望远镜的可能设计，命令每个团队在 2019 年之前将其调查结果提交给该机构——远在十年调查决定星罩会合之前。“最大的问题是这些研究将选择哪种星光抑制技术？”西格勒说。“你可能会认为日冕仪处于领先地位，因为它更容易建造和测试，而且你可能是对的。这就是它已经成为 WFIRST 基线的原因之一。星罩可能是一个更好的选择，但它需要望远镜和单独的航天器，它们之间相隔大约 50,000 公里。在地球上的哪里可以真正测试这样的东西？在已经在太空中的望远镜上测试星罩，难道不是对纳税人资金的巨大利用吗？”
在观测能力方面，这两种技术是互补的。作为望远镜上的另一种仪器，日冕仪可以在天空中的目标之间灵活地穿梭，并在行星发现方面表现出色。相比之下，星罩在目标之间漂移需要数天或数周的时间——但它们以更好的宽带灵敏度弥补了它们缓慢的速度，这使得它们成为更详细地研究行星的更佳选择。
美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家、美国宇航局未来望远镜研究之一的首席科学家秋·罗伯格说，找到另一颗地球的正确路径可能是选择和使用两者。“在一个完美的世界里，完美任务可能同时拥有日冕仪和星罩。任何可以保持两种选择都开放的事情对于长期未来都是可取的。”