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用于系外行星的大型干涉仪可以使用一系列工具来追踪新的系外行星和星系——如果它能够起飞的话

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图注:飞行和地面太空望远镜帮助天文学家寻找像 55 Cancri e(如上图所示)这样的系外行星。LIFE 可以用一系列全新的乐器来做同样的事情。NASA/JPL-加州理工学院

作为有史以来向宇宙交付的最大、最复杂的人造装置,詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 于去年的发射让天文学家感到痛心。该望远镜具有前所未有的灵敏度,可以更深入地观察漆黑的宇宙并解析遥远的物体。但下一代远视望远镜可能不一定要击败 JWST 的重量才能超越其愿景。

归零干涉测量是一种观察技术,它通过混合来自同一目标的多个同时视图的光来收集有关天文物体的数据。消零是指如何结合这种光来阻挡来自物体(例如恒星)的压倒性背景,以增强源自更微弱目标的信号,例如在恒星眩光下晒太阳的轨道行星。该技术解决了系外行星观测最棘手的挑战之一:对比度问题。与其他竞争技术相比,归零干涉测量法可能是使星光变暗 100 亿倍或更多的最佳选择——足以揭示地球大小的行星的潜伏存在。这些岩石天体是容纳外星生命的主要候选者。

为了获得更高的灵敏度和更好的分辨率,每个光收集器需要彼此间隔数百米。这是创新的部分:不是部署一个带有多个探测器的笨重装置,另一种解决方案是移除收集器之间死角中的任何桥接支柱并依靠编队飞行。自主编队飞行器的优势是深远的——这些探测器可以向外或向内移动以瞄准不同的目标、旋转和旋转中央收集器以调制它们接收到的天文信号。

虽然在未来几十年内不会部署空间归零干涉仪,但由瑞士苏黎世联邦理工学院的天体物理学家 Sascha Quanz 领导的一项工作正在将归零干涉仪从绘图板推向现实。他支持的任务毫不掩饰其目的:LIFE,也代表系外行星的大型干涉仪,将在宇宙中搜寻类地行星和可能适合居住的系外行星。他的团队提议的红外天文台包括五个同步飞行的独立航天器,以实现具有 1,970 英尺宽主镜的望远镜的分辨率。(相比之下,世界上最大的太空天文台 JWST 的主镜有 21 英尺宽。)去年,欧洲航天局 (ESA) 将寻找系外行星作为其未来几十年的三大任务主题之一,为此生活可能是一个主要的竞争者进行。LIFE 的概念正在加速发展,但这并不是第一次在太空中调零干涉测量法引起人们的兴趣——几十年前,这个想法被技术和财务障碍所挫败,使得外星调零干涉测量实际上不可行。从那以后的几十年里,技术改进使归零干涉测量比以往任何时候都更接近现实。LIFE 可能是完成零干涉测量的救赎故事的使命。

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NASA 在 2000 年代初提出的类地行星探测器概念。美国宇航局通过维基共享资源

生命的起源

在 2000 年代之前,系外行星的发现非常少见,因为人类根本没有工具来寻找它们。但不是因为缺乏尝试——科学家们围绕着那些被认为对他们那个时代来说过于雄心勃勃的系外行星猎人的想法。

归零干涉法最早由斯坦福大学电气工程师罗纳德·布雷斯韦尔于 1978 年提出。后来,NASA 和 ESA 分别于 2002 年和 1993 年通过为类地行星探测器干涉仪 (TPFI) 和达尔文任务开绿灯,独立采纳了这一概念。令科学界懊恼的是,预算限制导致 2007 年取消 TPFI。同年,欧空局取消了达尔文。在这两项任务中,当时的技术和系外行星知识显然不足以证明巨额的财务成本是合理的。两家航天机构都搁置了这些想法,将它们作为死胡同的项目交付给尘土飞扬的历史深处。

那时,寻找系外行星是一项冒险的冒险。如果一开始没有太多的新世界可以揭开,那么对空间归零干涉测量等激进新技术的投资可能就不值得了。

当一个新孩子来到街区时,一切都改变了:开普勒。

这台漂亮的太空望远镜使用一种称为“过境”的方法来根除隐蔽的系外行星。它注视一颗恒星的时间足以让一颗系外行星围绕它运行数次;星光中的周期性光点将暗示可能有一颗系外行星在恒星前方经过——本质上是照片轰炸——这颗恒星。为了实施凌日法,这位坚定的观星者在其全盛时期巡视了同一片天空。

开普勒于 2009 年首次开店,一年后发现了它的第一颗以前未知的系外行星。在开普勒首次亮相之前的十年中,已经发现了数百颗系外行星。然而,这个数字太低,科学家们无法知道系外行星,更不用说可居住的,是常见的还是稀有的——直到开普勒任务迎来了系外行星发现的淘金热。科学家们意识到,与星系中散布的恒星一样多,宇宙中的系外行星也会更多。在目前已知的 5000 多颗系外行星中,开普勒在它默默守护着夜空的九年里,对其中一半以上的行星进行了观测。

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开普勒预示着使用凌日法发现系外行星的爆炸性时代来临。Ipac,加州理工学院

尽管开普勒的生产力很高,但凌日技术也有其自身的局限性:对于系外行星来说,完成围绕其恒星的几次往返实际上是一场漫长的等待游戏。因此,坚定的观星者一次只能凝视同一片天空数年。想象一下,如果人类有一个天文台,可以观察整个宇宙并实时跟踪系外行星,而不必等待它们完成轨道,那么科学家们可以发现的大量系外行星。

Quanz 和他的团队从开普勒的生产力中获取了统计数据,并模拟了像 LIFE 这样可以直接探测系外行星的假设任务的回报率。“我们只是想获得第一感觉,”Quanz 说,“而答案却是压倒性的。” 他回忆起 2017 年左右在晚餐时将他的早期计算结果传达给比他年长的资深研究人员。猜猜达尔文可能发现了多少系外行星,他问他们。Quanz 记得,一位教授随机对冲了十二这个数字。让听众震惊的是,Quanz 告诉他们,在不到一年的时间里,像LIFE 这样的任务可以锁定 300 多个。

“正是这种兴奋,知道这项任务可以带来什么,”Quanz 说。在 TPFI 和达尔文之后的几年里,技术已经发展到天基零位干涉测量不再是不可想象的地步。取而代之的是,像 LIFE 这样的倡议正朝着可行的方向发展。“我只是被这个想法所吸引,”Quanz 补充道。

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ESA 在 1990 年代对达尔文的概念。国际会计准则

重新构想的飞行太空望远镜

NASA 的天体物理学家 Bertrand Mennesson 说,如果归零干涉测量法最终成为太空探索中的下一个重大问题,那将是因为像 Quanz 这样年轻有决心的人。Mennesson 本人是从事 TPFI 工作的科学家之一,之后他被转移到其他项目。“让新人看到这一点并可能得出新的结论是件好事,”他补充道。一个这样的例子是,该技术首先是否可以合理实现。下一步将需要召集不同的太空团队来组装一个工作原型并争取大量资金。

排在待办事项清单上的是自主航天器之间编队飞行的演示。LIFE 将由四个独立的收集器航天器组成,这些航天器收集来自系外行星的红外信号,然后将其重新定向到中央探测器。为了让 LIFE 发挥作用,科学家们需要准备好他们的推进系统、航天器间的通信以及保持其工作波长精度稳定的能力。这些自主红外收集器将相距数千英尺,与目标位置的偏差最多只能是人类头发宽度的十分之一。

近年来,小型卫星(smallsats)和集群技术的兴起对于鞭打编队飞行成形以赋予生命(或归零干涉测量)新的生命租约至关重要。低地球轨道上的小卫星和立方体卫星是首次亮相编队飞行的合适原型平台。少数轨道编队飞行器已经部署在地球附近——不久的将来还会有几个——作为试验台,以解决该技术的各个方面。这些增量步骤将证明未来几十年编队飞行的可行性。

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人生使命

LIFE 面临的另一个挑战是如何塑造当前的红外技术格局。幸运的是,JWST 的发展加速了新项目最终将使用的中红外光学器件。红外线是寻找行星干涉仪的首选光波长,因为行星大气中的许多化学物质都会在该波长下吸收。LIFE 不仅对揭示新的宜居行星具有更高的敏感性,而且还可能以其同名的方式提供——让科学家们能够更详细地研究行星表面的潜在生物特征,如甲烷二氧化碳

与此同时,科学家们在等待天空中的红外干涉仪的开发和善用地球红外干涉仪的工作并不乏力。这种解决方案可以绕过编队飞行,因为单个望远镜可以更容易地在地面上移动。(在智利的超大望远镜干涉仪上,它的四个辅助望远镜中的每一个都可以在卡车顶上穿梭。)然而,这些望远镜必须与红外天文学的克星:大气,它吸收了来自天空的辐射。澳大利亚悉尼大学的天体物理学家巴纳比·诺里斯说,空气中的湍流也模糊了这些微弱的外星读数——这就像从游泳池底部抬头看外面的世界。

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智利超大望远镜的辅助望远镜可以重新布置以进行零位干涉测量。ESO/米。克拉罗

使命的新希望

尽管天基归零干涉测量似乎不可避免,但迄今为止,航天机构尚未制定具体计划来实施它。

归零干涉测量不是欧空局确认的任务之一,欧空局也没有专门为开发该技术的一致承诺分配资金。欧空局科学主任 Günther Hasinger 说:“目前,它不在我们的近期议程上,”至少要到 2050 年。“现在将这项技术应用于太空要求太高了。”

在大西洋彼岸,NASA 正在积极寻求替代星光阻挡技术,这些技术实际上更简单,但更适合稍短的波长。Mennesson 说,这些技术不一定能替代归零干涉测量,但可以在寻找外星生命时补充后者。

尽管如此,通过磨练中红外波长来消除干涉测量法解决遥远的类地行星的能力是其他系外行星探索方法无法填补的利基市场。

“在这项技术上显然还有很多工作要做,”诺里斯说,“但我认为没有什么是不可克服的。”

Quanz 说,他将探索所有途径,例如获得太空机构的批准或与私营实体的合作,以将 LIFE 带入生活。

他的灵感来自于 LIFE 的使命必须感谢的人:加利福尼亚州 NASA 艾姆斯研究中心的退休太空科学家、开普勒任务的首席研究员 William Borucki。很难想象开普勒这个人类迄今为止挥舞着的最具革命性的系外行星猎手,自己的开端并不顺利:自 1990 年代初以来,NASA 曾四次拒绝该任务概念,但最终在近 20 年后部署。

Quanz 记得 2014 年在葡萄牙卡斯卡伊斯举行的一次会议上从 Borucki 那里得到了这个建议:“如果你真的对某件事深信不疑……你必须坚持下去,让它发生。” 继这一星光熠熠的遗产之后,LIFE 将在其前辈离开的地方继续前进,向天空射击。

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