在地球之外寻找生命，NASA 梦想着未来的太空望远镜

为了解开我们真正在宇宙中位置这个存在了千年的谜团，第一步发生在一个出乎意料的地点：华盛顿特区一家酒店里一间朴实无华的会议室，在一个凉爽的周二清晨。在这里，一群传奇英雄在万圣节集结——其中包括甘道夫和一位《星际迷航》的舰长。然而，这些不仅仅是科学家们为了不给糖就捣蛋而穿上的戏服。它们是一个恰如其分的比喻，象征着被选出来开始一项可想象的最伟大任务之一的 60 位天文学家，这项任务不仅在空间科学领域，而且在整个人类历史的范围内都是如此：设计一架能够找到或驳斥其他恒星周围行星上生命迹象的望远镜。这样的目标似乎几乎是异想天开。我们真的能建造一个耗资数十亿美元的观测站，并有很大机会在太阳系以外的世界中发现外星人吗？答案似乎是我们可以，而且如果能够克服一系列关键的决定，我们将做到。生命可能在宇宙中非常丰富，也可能极其罕见——了解哪个更接近真相将是划时代的。NASA 领导的这个项目的目标是“获得足够的观测结果，从而知道是哪种情况，”加州大学伯克利分校的考特尼·德雷辛说。

宜居世界天文台（HWO）计划在 2040 年左右发射，这将是迄今为止建造的最雄心勃勃、最精密的望远镜。但其主要目标却幼稚地简单——在 25 个类地世界中寻找生命。“这是有史以来建造的第一架能够真正以科学方式解决太阳系外生命有多普遍的望远镜，”马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所的马克·波斯特曼说。“可能是百分之零，也可能是百分之百，或者介于两者之间。我们真的没有任何测量数据。” 这段旅程还处于初期阶段；如果把它想象成 100 米的发射赛跑，我们现在还只是“穿上鞋子”，德雷辛说。但终点线等待着的奖品令人着迷，这将是对我们理解自身在宇宙中地位的一种文化转变。“这可能是一项改变社会的发现，”波斯特曼说。

HWO 将迎来一个与众不同的时代，一个我们真正了解地球在群星中地位的时代。然而，前方的道路充满了挑战，尤其是建造这样一台机器所面临的巨大技术和政治障碍。我们能否克服所有困难，首次瞥见其他有生命的星球？寻找和研究外星地球的旅程将跨越几代人——但随着最近一次会议，HWO 的架构师们已经迈出了最意义重大的第一步。

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超级哈勃

如果外星生命确实存在，它们并没有轻易地为人所知。我们一直在寻找来自智能文明的信号，搜索我们太阳系的世界，并试探性地探测了一些星际间的行星大气层，但迄今为止，宇宙邻居的明确迹象仍然难以捉摸。到目前为止，天文学家已经发现了 5,500 多个围绕其他恒星运行的世界。其中大多数往往是不适宜居住的、质量大且炎热的世界。少数质量和大小接近地球的行星突破了我们所知的生命存在的可能性边界；它们围绕着比我们的太阳小得多的红矮星紧密轨道运行。为了真正检验宇宙生命的前景，我们需要找到并研究非常像地球的行星，它们围绕着像我们太阳一样的恒星运行。“在科学界，这已经酝酿了很长时间，”德雷辛说。

2021 年，美国国家科学、工程和医学院指示 NASA 开始研制一种机器，以实现这一目标，作为其十年调查的一部分，该调查每 10 年为美国宇航局提供一次行动指令。十年调查委员会重点关注了两个提议的望远镜，它们能够胜任这项任务——一个名为大型紫外/光学/红外巡天仪（LUVOIR），另一个名为宜居系外行星天文台（HabEx）——其最终报告将两者合并为一个想法。该报告指示 NASA 建造一架望远镜，该望远镜能够观测红外、光学和紫外光，并“从大约 25 颗宜居带行星中寻找生物特征”。通过望远镜的光学系统，每个世界充其量只是一个孤独、微弱的光点——这看起来微不足道，但这足以研究行星大气层的化学成分，以寻找生命迹象，例如氧气和甲烷等气体，总估计成本不超过 110 亿美元（以 2020 年美元计算）。NASA 总部天体物理学部主任马克·克拉姆平后来给这个混合望远镜起了现在的名字。“我认为真正捕捉到我们正在做的事情的精神的名字是宜居世界天文台，”克拉姆平说。“这是我们被赋予的任务。”

望远镜的建造还有数年之遥。然而，在 2023 年 9 月，NASA 选定了一个由约 60 位科学家组成的团队，开始规划 HWO 的高级“零件清单”及其关键组件。预计这两个团队，一个名为科学、技术、架构审查团队（START），另一个名为技术评估小组（TAG），将在未来一年中每隔几个月举行正式的公开会议，同时也会举行规模较小、频率更高的组内会议，以及与更广泛的天文学界的讨论。“这将是忙碌的一年，”NASA 总部 HWO 项目科学家梅根·安斯德尔说。

10 月 31 日在华盛顿特区开始的为期三天的活动是这些规划会议中的第一次——十年赛跑中让 HWO 成为现实的发令枪。“我想鼓励大家深呼吸……稍微呼吸一下，”夏威夷 W. M. 凯克天文台的约翰·奥米拉说，他是 START 的联合主席，后来恰如其分地穿上了甘道夫的服装，在会议的第一天。“走到今天这一步花了很多时间。走到下一步还需要很长时间……我们将长期合作。” 虽然参加这次欢庆会议的虚拟和现场与会者总数约为 200 人，“但需要数百甚至数千人才能把这件事做好，”奥米拉说。“我不知道这个天文台什么时候发射。但我确实向我的妻子保证，它发射的时候我就退休。”

规划会议的一个关键主题是，尽管 HWO 以宜居世界命名，但该天文台应该提供更多，而不仅仅是来自假想的镜像地球的光线。对类地系外行星进行成像所需的光学器件的巨大性，也将使 HWO 非常适用于许多其他天文任务——类似于其前辈，如 NASA 的哈勃望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的工作。“研究暗物质是一种可能性，星际介质、星系——几乎天体物理学的各个方面都是，”马里兰州 NASA 戈达德太空飞行中心的李·范伯格说。“这将是一个通用级天文台。” 让这个信息明确将是关键，NASA 戈达德的简·里格比，JWST 的高级项目科学家，在会议第二天的演讲中说。“我们还有很多工作要做，”她说。“我们应该停止称它为‘宜居世界’，因为这个[名字]告诉普通天体物理学界，‘这不适合你们。’” 波斯特曼简单地将其描述为：“这真的就像一个‘超级哈勃’，”他说。

暗淡蓝点

HWO 在规划者脑海中逐渐形成的愿景看起来像是介于 JWST 和哈勃望远镜之间的设计。望远镜的主镜很可能像 JWST 的那样，被分成蜂窝状的片段——这样就可以折叠起来，放入正在开发的几种大型新型火箭之一，例如 SpaceX 的星舰或蓝色起源的新格伦。 “我们认为分段是未来的方向，”克拉姆平说。主镜的尺寸——它极大地影响了 HWO 的最终敏锐度——尚未最终确定，但至少将与 JWST 的 6.5 米（21 英尺）相当，并可能扩大到 9 米（30 英尺）。与 JWST 一样，该望远镜可能会配备巨大的可展开遮阳罩，以阻挡来自我们母恒星的入射光，并将驻扎在距离地球 150 万公里的深空位置。然而，与 JWST 不同的是，JWST 深入红外线以观察古代星系微弱的热辉光，HWO 不需要极端的低温冷却即可执行其观测。HWO 的主镜可能被存储在一个桶状管中，就像哈勃望远镜那样，而不是展开的遮阳罩。这种遮罩可能会解决 JWST 面临的最令人担忧的问题之一：微流星撞击已经撞击并凹陷了其大型外露主镜。“很多人认为[遮罩]看起来不错，”NASA 戈达德天体物理技术和战略副主任秋季·罗伯格说。

HWO 最伟大的技术挑战——对类地行星进行成像——实际上是双重的：望远镜不仅需要一种方法来消除行星恒星原本会压倒一切的眩光，还需要一种方法来保持自身静止不动，以便将目标世界保持在其视野中。JWST 的设计目标是展示低至微米二十分之一的目标漂移——微米是百万分之一米，是人类头发宽度的几分之一。范伯格说，该望远镜的性能已经超过了这些能力 10 倍，这意味着它的稳定性在人类 DNA 链的范围内。令人难以置信的是，HWO 仍然需要“可能好 1000 倍”，他说，稳定性高达数十皮米——皮米是一个万亿分之一米的测量单位，小于氢原子的半径。HWO 不需要始终如此稳定，但当它观察其他地球时，它需要使用这种超稳定性模式。HWO 的规划者说，一组可变形光学器件——望远镜的一些反射镜能够稍微弯曲以消除任何误差——将是实现这一壮举的几个关键工具之一。

为了记录来自地球外双胞胎行星的单光子反射光，HWO 首先需要滤除来自行星类太阳恒星的大约 100 亿个光子。日冕仪——本质上是望远镜光学系统中一个小的、精确成形的圆盘，用于遮挡恒星，但允许行星光线通过——很可能是 HWO 实现这项艰巨任务的主要方式。HWO 的概念性日冕仪将限制在相对较小的波长范围内——针对地球大小的世界在类太阳恒星的宜居带或“金发姑娘区”轨道运行进行优化灵敏度，该环星区域的温度可能既不太热也不太冷，以至于液态水无法存在。NASA 的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜计划于 2027 年发射，它将包括 HWO 日冕仪的技术先驱，尽管这种日冕仪将罗曼望远镜的成像行星限制为大于木星的行星。罗曼望远镜日冕仪的性能将为 HWO 更宏大的目标提供关键信息。“[罗曼上的]日冕仪是一项技术演示，”德雷辛说。“对于 HWO 来说，它是一台关键仪器。”

另一种抑制星光的方法是使用巨大的、向日葵形状的“星罩”，它在太空中飞翔，远远领先于 HWO 的凝视，从而在其光学器件上投下深邃的、揭示行星的阴影。但是，与日冕仪相比，单独的航天器是一种更复杂、更笨拙的星光抑制解决方案，因此不太可能从一开始就成为 HWO 的一部分。相反，大多数专家认为星罩是发射后可能增加的附加装置。“您可以想象发射配备日冕仪的 HWO，进行初步观测，然后在稍后发射星罩，”德雷辛说。这样就可以比单独使用日冕仪更远距离、更详细地看到行星。

借助这些技术中的任何一种，HWO 都应该能够提供潜在宜居外星世界的照片，类似于著名的“暗淡蓝点”图像，该图像是旅行者 1 号探测器在 1990 年应著名天文学家卡尔·萨根的要求拍摄的地球照片。HWO 将具体瞄准哪些系统仍未决定。在距离地球 100 光年的范围内，大约有 500 颗类太阳恒星——这大约是 HWO 的寻找生命调查可能看到的距离。2023 年 1 月，NASA 系外行星探索计划的副项目首席科学家埃里克·马马杰克与人合著了一份最值得观测的恒星清单，这些恒星都在这个空间范围内。“我怀疑前 50 名左右的恒星很可能最终会进入最终的调查名单，”他说。

确定目标列表很复杂，因为只有 HWO 可能能够探测到这些恒星周围宜居带中的地球，这意味着它将同时充当调查者和审查者；目前计划中的其他任何望远镜都无法与之媲美。这确实提出了一个问题，即在未来几年是否能找到足够的目标来充当 HWO 存在的理由，但就目前而言，大多数天文学家似乎并不担心。代理测量仍然可以缩小 HWO 的目标范围。“如果宜居带的正中央有一颗木星，你可能不想费心在那里寻找地球，”加州大学圣克鲁兹分校加州大学天文台主任布鲁斯·麦金托什说。“但这实际上对于任务的成功并不那么重要，知道这颗恒星有一颗地球，而那颗没有，因为最好的地球探测器将是我们正在建造的任务”——HWO。

文艺复兴

对望远镜究竟指向何处的担忧是该项目可能面临的最大挑战之一：确保在看到项目完成所需的数十年中，公众和国会（最终将为 HWO 提供资金）都给予坚定不移的支持。“我们需要[NASA]总部、国会、公众和业界的拥护者，以便在情况艰难时，他们能代表我们说话，”NASA 戈达德的马修·博尔卡在 HWO 规划会议第二天的演讲中说。会上深入讨论了从 JWST 中吸取的教训，JWST 曾受到令人尴尬且可能造成灾难性后果的预算超支和进度延误的困扰。为了避免重蹈覆辙，HWO 是 NASA 一项名为“伟大天文台任务和技术成熟计划”（GOMAP）的新计划的掌上明珠，该计划将仔细管理该机构未来大型太空望远镜项目的预算和进展。

然而，JWST 尽管遭遇挫折，但最终取得了成功，这可能是乐观的理由。“在我们发射前的十年里……我数不清有多少人说，‘这东西永远不会起作用，’”里格比在她的演讲中说；但是，她说，天文台超出预期的性能表明“这是一件可行的事情。” 而且，许多 HWO 的规划者急切地指出，它将比 JWST 具有一个主要优势，那就是它从一开始就被设计成可维修的，就像哈勃望远镜一样。这意味着机器人或宇航员可以访问望远镜，定期为其赋予新的生命，进行维修并更换仪器，“有点像宜家风格，”罗伯格说。

如果 HWO 背后的技术和科学能够最终确定，望远镜的资金能够得到保障，并且对该项目的支持能够保持下去，那么回报几乎是难以估量的。在其对银河系这个角落中大约二十几个地球的研究中，HWO 将告诉我们这些世界中是否有任何世界可以支持生命，或者今天可能仍然可以支持生命。在最乐观的情况下，它甚至可能看到技术文明的迹象，例如来自假想外星大都市的夜间灯光，或者外星大气层中工业污染的明显迹象。“你可能会使用这架望远镜来寻找‘技术特征’——不仅仅是细菌等简单生命的证据，而是能够建造机器、工业、电力以及所有这些先进生命的证据，”波斯特曼说。这种可能性可能看起来牵强附会，但仍然处于技术可行性的边缘——而且，如果不进行此类搜索，成功的可能性将永远为零。

另一方面，HWO 可能会仔细检查其目标，但发现没有一个目标包含我们认可的任何生命迹象，无论是原始的还是其他的。这样的结果会令人失望，但同样有用。这将是迄今为止最好的证据，表明地球在宇宙意义上确实是特殊的——银河系中一个看似毫无生气的口袋中珍贵的绿洲。“你将对现在生命有多么稀有有一个很好的上限，”波斯特曼说。德雷辛推测，对一个有生命的星球进行可靠的探测可能会极大地改变我们的文化，激发“艺术和文学的全新文艺复兴”——更不用说对更具远见卓识的太空望远镜进行更大的投资了。相反，未能找到任何东西可能看起来令人沮丧，但实际上根本不是“失败”——我们人类将再次发现自己似乎孤独地站在宇宙之巅，在一个拥有深刻特权的地方，我们最好更好地培育和尊重它。“这两种结果从科学和哲学的角度来看都非常有趣，”波斯特曼说。我们正在系紧鞋带，开始奔向终极奖品的比赛。一个无与伦比的知识领奖台在等待着我们。