新一代空間望遠(yuǎn)鏡：發(fā)現(xiàn)宇宙中的生命

□ 編譯 謝 懿

新一代空間望遠(yuǎn)鏡：發(fā)現(xiàn)宇宙中的生命

□ 編譯 謝 懿

HDS T的口徑將會是J WST的近2.5倍，同時(shí)讓現(xiàn)在主力空間望遠(yuǎn)鏡“哈勃”（口徑2.4米）相形見絀。版權(quán)：AURA。

使用高清空間望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家寄希望能發(fā)現(xiàn)宇宙中的生命。

2018年，當(dāng)詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）張開其巨眼望向宇宙之時(shí)，構(gòu)想、設(shè)計(jì)并建造它的天文學(xué)家和工程師們會歡呼慶祝。但就在它把第一波科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)回地球的時(shí)候，另一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)則正在致力于構(gòu)思它的繼任者。事實(shí)上，這已經(jīng)開始了。設(shè)計(jì)、研究和建造科學(xué)上最大且最有價(jià)值的研究工具--例如，大型強(qiáng)子對撞機(jī)，或者哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡--往往需要花費(fèi)幾十年的時(shí)間、數(shù)百次的專家評估和團(tuán)隊(duì)會議以及數(shù)十億的美元，而這些項(xiàng)目的進(jìn)度通常極為緩慢。因此，雖然在21世紀(jì)30年代中期之前不會發(fā)射升空，但毫不奇怪天文學(xué)家們已經(jīng)開始籌劃下下一個(gè)大型的空間天文臺了，目前它被稱為高清空間望遠(yuǎn)鏡（HDST）。

自“哈勃”離開發(fā)射平臺的瞬間，不同的團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)在討論這架未來的望遠(yuǎn)鏡可能會是怎樣。雖然在細(xì)節(jié)上存在差異，但就基本要求和目標(biāo)達(dá)成了一致。受到科學(xué)目標(biāo)和工程的制約，可選擇的道路其實(shí)有限，只能在這之間尋求最佳的折中方案。

因此，在可及的技術(shù)和當(dāng)今最緊迫的天文學(xué)問題之間取得平衡之后，其基本要素自然而然地就顯現(xiàn)了出來。雖然JWST會特別專注于光譜中的紅外波段，但HDST將會是真正的“哈勃”繼任者，具備紅外、可見光和紫外觀測能力。

JWST6.5米的口徑已經(jīng)讓2.4米的“哈勃”相形見絀，但HDST的口徑將達(dá)到12米，可以與目前地球上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相抗衡。盡管到HDST升空的時(shí)候地面上將會有了30米口徑的望遠(yuǎn)鏡，但和JWST一樣，它不僅會飛入太空，還會飛到遠(yuǎn)在月球的軌道之外的L2拉格朗日點(diǎn)。這樣可以遠(yuǎn)離地球的大氣層以及陽光，使得它具有不間斷地清晰視野。從這個(gè)制高點(diǎn)，它將會窺視宇宙中最遙遠(yuǎn)的地方，探尋天文學(xué)中的圣杯--另一個(gè)有生命存在的地球。

搜尋生命

1995年，當(dāng)天文學(xué)家在類太陽恒星周圍發(fā)現(xiàn)了第一顆行星之時(shí)，太陽系外行星一躍從科幻變成了科學(xué)最前沿。在接下去的10年里，地面和空間的搜索又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了十幾顆、然后是幾十顆的行星。2009年，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡開啟了太陽系外行星的發(fā)現(xiàn)洪流，現(xiàn)在已知的太陽系外行星已經(jīng)有上千顆。

然而，對于這些行星中的絕大多數(shù)，天文學(xué)家僅知道最粗略的特性。通常會知道某一顆行星的質(zhì)量和半徑——但只有在偶然的情況下才能兩者皆知，以及它到其宿主恒星的距離。根據(jù)這些信息來確定這顆行星的成分有非常大的不確定性。即便是現(xiàn)在，科學(xué)家們也只是在屈指可數(shù)的一些太陽系外行星的大氣中直接探測到了幾種特定的分子，而這些還都是最明亮、溫度最高且不可能擁有生命的巨行星。

更遠(yuǎn)景地，許多天文學(xué)家夢想著發(fā)現(xiàn)另一個(gè)地球以及生活在它之上的生命。毫不奇怪，一些旨在太陽系外行星研究的領(lǐng)軍人物會沿著這些路線來前行。因?yàn)椋麄€(gè)人類都對于我們自己在銀河系中和宇宙中的“地位”感興趣，對這個(gè)問題的回答就在于去尋找地球之外的生命和文明，而第一步則是尋找到可能有生命存在的行星。

這是非同尋常的任務(wù)。天文學(xué)家已經(jīng)知道了幾顆可能有生命存在的行星。這些行星都有著合適的大小和巖質(zhì)的表層，它們也都位于宜居帶內(nèi)，在其表面可以有液態(tài)水存在。然而，天文學(xué)家并不能確定這些水是否真的存在。即使有水存在，是不是又有生命存在？

對這個(gè)問題的回答意味著必須要超越行星的大小，深窺其大氣層之下的世界，尋找有關(guān)生命的跡象：水、氧氣、二氧化碳、甲烷和臭氧。只有探測到這些物質(zhì)才能讓天文學(xué)家確信那里真的存在生命，而不是單純的可能性。

凌星是目前探測太陽系外行星大氣層成分的最佳方法。當(dāng)行星從其宿主恒星圓面前方經(jīng)過時(shí)，天文學(xué)家可以測量因該行星的大氣遮蔽或部分遮蔽導(dǎo)致的星光變化。當(dāng)凌星的行星是一顆近距離的高溫氣態(tài)行星時(shí)，這一方法可以提供其大氣層豐富的信息。但對于一顆地球大小、大氣層較薄且距離較遠(yuǎn)的行星，它所導(dǎo)致的星光變化太過微小，即便是未來的巨型望遠(yuǎn)鏡也無法測量。

從13.5個(gè)秒差距之外使用HDS T加內(nèi)部星冕儀來觀測太陽系的模擬結(jié)果?；ㄙM(fèi)大約40個(gè)小時(shí)的觀測時(shí)間，就可以探測到地球及其特有的藍(lán)色。版權(quán)：L. Pueyo/M. N’Diaye.。

JWST將對超級地球進(jìn)行大量的凌星觀測，這些太陽系外行星的半徑是地球的1.5～2倍。不過，這些行星還是和地球存在著一定的差異。所以，除非天文學(xué)家幸運(yùn)地找到了一顆極其靠近一顆低溫紅矮星的地球大小行星，否則無論是JWST還是其他的太陽系外行星探測任務(wù)都沒有能力去探測一顆位于宜居帶內(nèi)的類地球行星。

即便是圍繞紅矮星的凌星類地球行星，JWST對其進(jìn)行全面的分光測量所需的時(shí)間將會和哈勃深場的相當(dāng)。雖然搜尋外星生命絕對值得去花上這100多個(gè)小時(shí)的望遠(yuǎn)鏡時(shí)間，但天文學(xué)家也不得不面臨很大的“賠本”風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果很有可能是它只不過是一顆貧瘠和干旱的類火行星。這不是進(jìn)行大規(guī)模研究的可行方案。天文學(xué)家需要不同于JWST的工具，于是HDST應(yīng)運(yùn)而生。

除了使用凌星手段，天文學(xué)家還將直接來搜尋類地球行星，這將是工程上的一項(xiàng)壯舉。雖然這在可及的范圍之內(nèi)，但也是HDST所面臨的最艱巨的挑戰(zhàn)。

強(qiáng)有力的科學(xué)需要有可重復(fù)性。搜尋類地球行星的天文學(xué)家需要研究大量的潛在目標(biāo)。那么，為了尋找地外生命，到底需要深入仔細(xì)研究多少顆太陽系外類地行星的大氣呢？是1顆？10顆？100顆？還是1 000顆？

回答也許是“幾十顆”。這并不是一個(gè)抽象的思想實(shí)驗(yàn)，相反是權(quán)衡之后的結(jié)果。HDST必須要強(qiáng)大到這樣的程度才能解答天文學(xué)家所提出的問題。達(dá)不到這些性能上的要求，科學(xué)問題就無法得以解答，寶貴的資源就會被浪費(fèi)。對性能要求過高，則可能導(dǎo)致工程上無法實(shí)現(xiàn)。HDST的任務(wù)并不僅僅是回答一個(gè)問題，而是一個(gè)使命：尋找另一個(gè)地球。

恒星考古學(xué)

除了太陽系外行星之外，HDST也將惠及整個(gè)天文學(xué)。研究星系形成和演化以及宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的天文學(xué)家，他們也期待著HDST對這些更大尺度的觀測能力。

星系中用來形成恒星的氣體是從哪兒來的？天文學(xué)家只知道個(gè)大概。為了制造出恒星，星系必須從星系際介質(zhì)中捕獲氣體。劇烈的活動，例如恒星爆發(fā)式形成以及黑洞的演化，會把氣體吹出星系。天文學(xué)家已提出了許多模型來描述這個(gè)循環(huán)過程，但沒有一個(gè)能在所期望的細(xì)節(jié)程度上被驗(yàn)證。

目前，通過研究來自遙遠(yuǎn)類星體所發(fā)出的光被吸收的情況，“哈勃”正在研究其路經(jīng)的星系周圍氣體的位置和運(yùn)動。然而，對于每一個(gè)居間星系來說，“哈勃”通常只能看到一個(gè)位于背景中的類星體，而能觀測的目標(biāo)數(shù)量也很少。但假如你有一架10米級的望遠(yuǎn)鏡，就能在每個(gè)星系的周圍看到10～20個(gè)距離可以遠(yuǎn)在3260萬光年之外的類星體。它將使得天文學(xué)家能勘測出圍繞這些星系的氣體的空間分布，整個(gè)改變眼下的局面。

通過計(jì)算機(jī)模擬得到的“哈勃”（左上）、J WS T（右上）和H D S T（左下）對同一個(gè)遙遠(yuǎn)星系所能獲得的分辨率。只有J DS T才能從年老恒星群中分辨出恒星形成區(qū)。版權(quán)：D. Ceverino/ C. Moody/G. Snyder。

天文學(xué)家也對恒星考古學(xué)十分感興趣，它研究的是星系中恒星形成的歷史——在多久之前，形成了多少各種大小的恒星？“哈勃”現(xiàn)在也正在嘗試進(jìn)行這些測量，但其角分辨率只夠用來研究銀河系和本星系群中距離我們最近的星系。HDST可以觀測遠(yuǎn)在3260萬光年之外的恒星形成。如果能夠了解供給恒星形成的氣流，那么它將向我們呈現(xiàn)出宇宙歷史更為全面的圖像。

即將問世的下一代30米級地面望遠(yuǎn)鏡也將加入這項(xiàng)研究中，但其最佳的角分辨率在近紅外波段，在這個(gè)波段上年老和年輕星族的差異遠(yuǎn)不如HDST在紫外波段所看到的明顯。

這一差異凸顯了未來新一代望遠(yuǎn)鏡之間的互補(bǔ)性。HDST將在紫外波段達(dá)到其最高分辨率，而30米望遠(yuǎn)鏡則紅外波段表現(xiàn)最佳。憑借巨大的天線陣列，阿塔卡馬大型毫米波陣也能加入它們的行列，達(dá)到相當(dāng)?shù)姆直媛省＞C合起來，從射電到紫外，它們將會以迄今最高的分辨率來探測近距宇宙。這將是革命性的。

建造

幸運(yùn)的是，天文學(xué)家就HDST的科學(xué)目標(biāo)達(dá)成了共識，這使得他們決定建造一架10米級望遠(yuǎn)鏡（具體大小尚未確定）并將其安置在L2點(diǎn)。盡管在地面上已經(jīng)破土動工開始建造口徑3倍于此的望遠(yuǎn)鏡，但有一個(gè)很簡單的問題束縛著任何一架空間望遠(yuǎn)鏡——如何把它送入太空？在可以預(yù)見的未來，計(jì)劃中最大的運(yùn)載火箭是美國宇航局（NASA）的空間發(fā)射系統(tǒng)，就算是這么龐大的火箭——近120米高、有效載荷150噸——其直徑也只有8米。這意味著HDST必須和JWST一樣采用可折疊、拼接鏡面設(shè)計(jì)，由多達(dá)54塊的六邊形鏡面來拼合而成。它將會被折疊安放在有史以來所建造的最大的火箭腹中，然后發(fā)射升空，在抵達(dá)深空之后再伸展開。

發(fā)射入太空只是它需要滿足的工程要求之一。為了尋找那些難以捉摸的太陽系外宜居行星，除了凌星觀測之外，天文學(xué)家還必須要具備對其直接成像的能力。但是，以地球?yàn)槔?，太陽的亮度是地球?00億倍。從幾十萬億千米之外看，地球完全湮沒在太陽的強(qiáng)光之中。因此，必須要想辦法消除掉這些星光。

雖然還未經(jīng)實(shí)際測試，但具有漂亮花瓣形狀的星障（starshade）裝置可以有效地遮擋恒星的光芒，顯露出其周圍的行星。相比于星冕儀，它對于靠近宿主恒星的行星有著更高的靈敏度。版權(quán)：NASA。

在可見光（左列）和紫外（右列）波段，計(jì)算機(jī)模擬的HDST（上欄）“哈勃”（下欄）對木星衛(wèi)星木衛(wèi)二的觀測結(jié)果比較。對木星軌道附近的天體，HDST的空間分辨率可達(dá)35千米。在HDST的紫外圖像中可以清晰地看到被噴射出的水汽。版權(quán)：AURA。

為此可以使用兩種辦法來阻擋中央恒星的光芒。第一種是使用星冕儀，它安裝在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)，可以遮擋住恒星的光，但卻可以讓從該恒星鄰域內(nèi)發(fā)出的光通過。這個(gè)方法需要設(shè)計(jì)非常精密且非常穩(wěn)定的望遠(yuǎn)鏡，必須知曉光線在望遠(yuǎn)鏡中的傳播路徑，還需要有部件來校準(zhǔn)鏡面的形狀，由此來保證即便是最微小的像差也不會影響到影像的穩(wěn)定性。這從本質(zhì)上增加了望遠(yuǎn)鏡整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但由此所獲得圖像的深度和清晰度可以讓天文學(xué)家觀測到數(shù)以千計(jì)的太陽系外行星和幾十顆的類地行星。

此外，還有另一種方式。多年來，天文學(xué)家一直在設(shè)想使用“星障”（starshade）裝置，它相當(dāng)于一種架設(shè)在望遠(yuǎn)鏡外部的星冕儀，具有精妙而又復(fù)雜的花瓣結(jié)構(gòu)，可以完全消除由一顆遙遠(yuǎn)的恒星所投射下的尖峰狀衍射圖案。對于HDST大小的望遠(yuǎn)鏡，它所需星障的直徑將超過100米，對每個(gè)花瓣形構(gòu)造的精度則要達(dá)到1毫米。HDST及其星障間的距離接近200 000千米，這一飛行編隊(duì)的精度必須維持在1米。這樣高要求的編隊(duì)飛行是很困難的，而且從一個(gè)目標(biāo)切換到另一個(gè)目標(biāo)可能要等上數(shù)天甚至數(shù)周的時(shí)間，因?yàn)樾钦峡赡芤w行數(shù)千千米才能抵達(dá)所需的新位置。

這同時(shí)也是一項(xiàng)未經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)：星障任務(wù)還尚未試飛過。不過，相比于內(nèi)置的星冕儀，這一技術(shù)對于更小且靠宿主恒星更近的行星有著更高的靈敏度，對望遠(yuǎn)鏡自身的工程要求也易于達(dá)到。在HDST發(fā)射前10年，可能會有一架使用星障的空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空。如果真是這樣的話，這將是對該新技術(shù)的實(shí)地測試。

就目前來說，內(nèi)置的星冕儀被視為首選。不過，HDST興許可以兩者兼得。最終的決定將在很大程度上依賴正在進(jìn)行的研究，工程師們正在探討到21世紀(jì)30年代中期發(fā)射時(shí)技術(shù)會發(fā)展到什么樣的程度。這架望遠(yuǎn)鏡本身和它所攜帶的儀器都來之不易。HDST將盡可能地利用目前已經(jīng)被驗(yàn)證的技術(shù)來建造，例如JWST和勘測銀河系中恒星的“蓋亞”所用的技術(shù)。它還會使用一些僅經(jīng)過地面測試的技術(shù)，例如類地行星搜尋者和空間干涉任務(wù)的技術(shù)。

工程師們也可以更為從容。與JWST不同，HDST可在室溫下進(jìn)行操作測試；而JWST是專長紅外的低溫望遠(yuǎn)鏡，因此在測試和組裝的每一個(gè)階段都需要低溫環(huán)境。這不是一個(gè)簡單的簡化，這些紅外波段上的復(fù)雜性是導(dǎo)致JWST成本超支和進(jìn)度滯后的主要原因。

獨(dú)自在L2點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，HDST應(yīng)該不會有任何的維修服務(wù)任務(wù)，但科學(xué)家們也不能排除這一可能性。“哈勃”的許多維修任務(wù)讓工程師們領(lǐng)會到了模塊化部件的價(jià)值——可以方便地移除、更換、升級儀器和面板?；蛟S比人類機(jī)械師更有可能的是機(jī)器人維修工，在這個(gè)領(lǐng)域NASA已經(jīng)研究了10多年。相比載人任務(wù)，機(jī)器人維修任務(wù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)都更低。因此，盡管工程師們在建造HDST時(shí)并不期望會有任何的維修任務(wù)，但也為各種可能性做好了準(zhǔn)備。

前進(jìn)道路

關(guān)于HDST，目前還沒有任何的正式提案，也沒有全面的成本分析或者是時(shí)間表。除非NASA決定終止空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，否則HDST總會向前推進(jìn)。為下一個(gè)科學(xué)項(xiàng)目等待20年是很漫長的。然而，發(fā)現(xiàn)有太陽系外行星不但是宜居的而且是有居民的，進(jìn)而回答我們在宇宙中是否孤獨(dú)的根本問題，這興許可以在我們大多數(shù)人的有生之年得以實(shí)現(xiàn)。面對人類千百年來的追問，HDST似乎呼之欲出。

HDST只是這個(gè)項(xiàng)目目前的名稱。此前NASA的一項(xiàng)研究用的名稱是“高新技術(shù)大口徑空間望遠(yuǎn)鏡”（ATLAST）。曾幾何時(shí)，同樣的基本概念還被稱為“甚大空間望遠(yuǎn)鏡”。同樣地，JWST在很多年的時(shí)間里被稱為“下一代空間望遠(yuǎn)鏡”，甚至“哈勃”在長達(dá)數(shù)十年的籌劃過程中都被稱為“大型空間望遠(yuǎn)鏡”。

最終，將于21世紀(jì)30年代問世的這架旗艦望遠(yuǎn)鏡會有一個(gè)更人性化的名字，可能以一個(gè)科學(xué)家或公眾人物命名。雖然開工建造的日期仍然未知，評估、成本和工程挑戰(zhàn)依然艱巨，但天文學(xué)家們卻義無反顧，因?yàn)樗且患苣軐ふ伊硪粋€(gè)地球的望遠(yuǎn)鏡。

計(jì)算機(jī)模擬的HDST（上欄）和“哈勃”（下欄）對冥王星（左列）和冥衛(wèi)一（右列）的觀測結(jié)果比較。HDST對冥王星表面的空間分辨率可達(dá)300千米。版權(quán)：AURA。

每一個(gè)人都希望能進(jìn)一步地理解我們的宇宙。2030年將會比你想象的來得更快。

（責(zé)任編輯 張長喜）