探索外星生命之路

八月初，科学家和工程师聚集在加州理工学院的一个小礼堂，讨论如何建造第一台能够探测地球等行星上的外星生命的太空望远镜。

拟议的任务概念，即宜居世界天文台(HWO)，将成为继美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)之后的下一个强大的天体物理观测站。它将能够研究恒星、星系和许多其他宇宙物体，包括太阳系外的行星，即系外行星，甚至可能是外星生命。

尽管在系外行星上寻找外星生命的可能性可能不大，但加州理工学院的研讨会旨在评估HWO在其他地方寻找生命所需的技术状况。

“在设计任务之前，我们需要尽可能地开发关键技术，”HWO技术评估小组(TAG)成员、大卫·莫里斯罗天文学教授、高级研究科学家DimitriMawet说道。加州理工学院为NASA管理的喷气推进实验室(JPL)。

“我们正处于技术成熟阶段。我们的想法是进一步推进技术，使宜居世界观测站能够提供革命性的科学成果，同时最大限度地降低成本超支的风险。”

HWO最初是作为美国国家科学院2020年天文学和天体物理学十年调查(Astro2020)的一部分提出的，这是一个概述天文学界目标的10年路线图，HWO将在2030年代末或2040年代初启动。该任务的观测时间将分为一般天体物理学和系外行星研究。

Astro2020十年报告的两位主席之一菲奥娜·哈里森(FionaHarrison)表示：“十年调查建议将这项任务作为首要任务，因为它对天体物理学具有变革性的能力，并且能够了解我们太阳系之外的整个太阳系。”加州理工学院物理学教授HaroldA.Rosen，以及物理、数学和天文学系Kent和JoyceKresa领导主席。

太空望远镜能否表征系外行星的大气层，从而寻找可能表明外星生命的特征，取决于阻挡来自遥远恒星的眩光的技术。

阻挡恒星光线的主要方法有两种：望远镜内部的小面罩(称为日冕仪)和望远镜外部的大面罩(称为遮光罩)。在太空中，星罩会展开成一个巨大的向日葵形状的结构，如动画中所示。

在这两种情况下，恒星的光都会被阻挡，从而显示出附近行星反射的微弱星光。这个过程类似于举起手挡住阳光，同时给微笑的朋友拍照。

通过直接捕获行星的光，研究人员可以使用称为光谱仪的其他仪器来仔细检查该光以寻找化学特征。如果在围绕遥远恒星运行的行星上存在任何生命，那么该生命的集体吸气和呼气可能会以生物特征的形式被检测到。

“我们估计，仅在我们银河系的宜居带中，就有多达数十亿颗地球大小的行星，”美国宇航局喷气推进实验室系外行星探索计划的首席技术专家尼克·西格勒说。宜居带是恒星周围温度适合液态水存在的区域。

“我们想要探测这些系外行星的大气层，寻找氧气、甲烷、水蒸气和其他可能表明生命存在的化学物质。我们不会看到小绿人(外星人)，而是看到这些关键化学物质的光谱特征，或者我们所说的生物特征。”

据西格勒介绍，NASA已决定将重点放在HWO概念的日冕仪路线上，以NASA南希·格雷斯·罗马太空望远镜最近的投资为基础，该望远镜将利用先进的日冕仪对气态巨行星进行成像。(加州理工学院的IPAC是罗马科学支持中心的所在地)。

如今，日冕仪已在其他几个望远镜上使用，包括绕轨道运行的JWST、哈勃望远镜和地面天文台。

Mawet开发了日冕仪，用于夏威夷大岛莫纳克亚山顶WM凯克天文台的仪器。

最新版本被称为涡旋日冕仪，由Mawet发明，安装在凯克行星成像仪和表征仪(KPIC)内，该仪器允许研究人员直接成像和研究年轻且温暖的气态巨行星的热发射。

日冕仪可以抵消恒星的光，从而使该仪器可以拍摄比恒星暗约一百万倍的行星的照片。这使得研究人员能够详细描述年轻气态巨行星的大气层、轨道和自转，有助于回答有关其他太阳系形成和演化的问题。

但直接对双地球进行成像——我们所知的生命最有可能在其中繁衍生息——需要对现有技术进行大规模改进。像地球这样在宜居带中绕类太阳恒星运行的行星很容易在恒星的耀眼光芒中消失。

例如，我们的太阳的亮度是地球的100亿倍。为了让日冕仪达到这种星光抑制水平，研究人员必须将他们的技术推向极限。

“随着我们越来越接近所需的星光抑制水平，挑战变得更加困难，”马威特说。

加州理工学院研讨会的参与者讨论了一种日冕仪技术，该技术涉及利用仪器内部的超精密可变形镜来控制光波。

虽然日冕仪可以阻挡大部分恒星的光线，但杂散光仍然可以进入最终图像，以斑点的形式出现。通过使用数千个驱动器推拉可变形镜的反射表面，研究人员可以消除残余星光的斑点。

即将推出的南希·格雷斯·罗马太空望远镜将是第一个使用这种类型日冕仪的望远镜，这种日冕仪被称为“主动”，因为它的镜子会主动变形。经过喷气推进实验室的更多测试后，罗马日冕仪最终将被集成到NASA戈达德太空飞行中心的最后一台望远镜中，并不迟于2027年发射到太空。

罗马日冕仪将使天文学家能够对可能比恒星暗十亿倍的系外行星进行成像。这包括成熟和年轻的气态巨行星以及行星形成过程中留下的碎片盘。

“罗马日冕仪是美国宇航局在寻找太阳系外生命之路上迈出的下一步，”喷气推进实验室罗马日冕仪的仪器技术专家凡妮莎·贝利(VanessaBailey)说道。

“当今的望远镜和宜居世界天文台之间的性能差距太大，无法一次性弥补。罗马日冕仪的目的是成为中间的垫脚石。它将展示一些必要的技术，包括日冕仪掩模和可变形镜子，其性能水平在实验室之外从未达到过。”

直接对类日恒星周围的地球双胞胎进行成像的探索意味着进一步推动罗曼日冕仪背后的技术。

“我们需要能够将镜子变形到皮米级的精度，”马威特解释道。

“与罗曼的日冕仪相比，我们需要将星光抑制大约100倍。该研讨会帮助指导我们找出技术差距所在，以及未来十年我们需要在哪些方面进行更多开发。”

研讨会上讨论的其他主题包括与日冕仪一起使用的最佳主镜、镜面涂层、处理微流星体对镜面的损坏、可变形镜面技术，以及用于集成建模和设计的探测器和先进工具。

工程师还提供了遮光罩及其技术准备情况的最新状态。

与此同时，随着技术的进步，其他科学家也将目光投向恒星，寻找类地行星以及HWO所拍摄到的可能的外星生命。

迄今为止已发现超过5500颗系外行星，但没有一颗是真正类地行星。行星搜寻工具，例如凯克天文台由加州理工学院领导的新凯克行星探测器(KPF)，已经变得更适合通过寻找行星绕其运行时对恒星施加的牵引力来寻找行星。

较重的行星会产生更大的牵引力，轨道距离恒星较近的行星也会产生更大的牵引力。KPF的目的是在小红星的宜居带中寻找地球大小的行星(红星的宜居带更近)。通过未来几年的进一步改进，KPF或许能够探测到地球双胞胎。

到2030年代末或2040年代初HWO发射时，科学家希望能拥有至少25颗类地行星可供探索的目录。

尽管前面的路很长，研讨会上的科学家们还是热切地与从全国各地来到帕萨迪纳的同事们讨论了这些挑战。JPL主任LaurieLeshin(MS'89，PhD'95)在会议开始时发表了鼓舞人心的演讲。

“这是一个令人兴奋又艰巨的挑战，”她说。“但这就是我们所有人生活的目的。我们并不是孤军奋战。我们通过合作来做到这一点。”