用于系外行星的大型干涉儀可以使用一系列工具來(lái)追蹤新的系外行星和星系——如果它能夠起飛的話

圖注：飛行和地面太空望遠(yuǎn)鏡幫助天文學(xué)家尋找像 55 Cancri e（如上圖所示）這樣的系外行星。LIFE 可以用一系列全新的樂器來(lái)做同樣的事情。NASA/JPL-加州理工學(xué)院

作為有史以來(lái)向宇宙交付的最大、最復(fù)雜的人造裝置，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (JWST) 于去年的發(fā)射讓天文學(xué)家感到痛心。該望遠(yuǎn)鏡具有前所未有的靈敏度，可以更深入地觀察漆黑的宇宙并解析遙遠(yuǎn)的物體。但下一代遠(yuǎn)視望遠(yuǎn)鏡可能不一定要擊敗 JWST 的重量才能超越其愿景。

歸零干涉測(cè)量是一種觀察技術(shù)，它通過混合來(lái)自同一目標(biāo)的多個(gè)同時(shí)視圖的光來(lái)收集有關(guān)天文物體的數(shù)據(jù)。消零是指如何結(jié)合這種光來(lái)阻擋來(lái)自物體（例如恒星）的壓倒性背景，以增強(qiáng)源自更微弱目標(biāo)的信號(hào)，例如在恒星眩光下曬太陽(yáng)的軌道行星。該技術(shù)解決了系外行星觀測(cè)最棘手的挑戰(zhàn)之一：對(duì)比度問題。與其他競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比，歸零干涉測(cè)量法可能是使星光變暗 100 億倍或更多的最佳選擇——足以揭示地球大小的行星的潛伏存在。這些巖石天體是容納外星生命的主要候選者。

為了獲得更高的靈敏度和更好的分辨率，每個(gè)光收集器需要彼此間隔數(shù)百米。這是創(chuàng)新的部分：不是部署一個(gè)帶有多個(gè)探測(cè)器的笨重裝置，另一種解決方案是移除收集器之間死角中的任何橋接支柱并依靠編隊(duì)飛行。自主編隊(duì)飛行器的優(yōu)勢(shì)是深遠(yuǎn)的——這些探測(cè)器可以向外或向內(nèi)移動(dòng)以瞄準(zhǔn)不同的目標(biāo)、旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)中央收集器以調(diào)制它們接收到的天文信號(hào)。

雖然在未來(lái)幾十年內(nèi)不會(huì)部署空間歸零干涉儀，但由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的天體物理學(xué)家 Sascha Quanz 領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)工作正在將歸零干涉儀從繪圖板推向現(xiàn)實(shí)。他支持的任務(wù)毫不掩飾其目的：LIFE，也代表系外行星的大型干涉儀，將在宇宙中搜尋類地行星和可能適合居住的系外行星。他的團(tuán)隊(duì)提議的紅外天文臺(tái)包括五個(gè)同步飛行的獨(dú)立航天器，以實(shí)現(xiàn)具有 1,970 英尺寬主鏡的望遠(yuǎn)鏡的分辨率。（相比之下，世界上最大的太空天文臺(tái) JWST 的主鏡有 21 英尺寬。）去年，歐洲航天局 (ESA) 將尋找系外行星作為其未來(lái)幾十年的三大任務(wù)主題之一，為此生活可能是一個(gè)主要的競(jìng)爭(zhēng)者進(jìn)行。LIFE 的概念正在加速發(fā)展，但這并不是第一次在太空中調(diào)零干涉測(cè)量法引起人們的興趣——幾十年前，這個(gè)想法被技術(shù)和財(cái)務(wù)障礙所挫敗，使得外星調(diào)零干涉測(cè)量實(shí)際上不可行。從那以后的幾十年里，技術(shù)改進(jìn)使歸零干涉測(cè)量比以往任何時(shí)候都更接近現(xiàn)實(shí)。LIFE 可能是完成零干涉測(cè)量的救贖故事的使命。

NASA 在 2000 年代初提出的類地行星探測(cè)器概念。美國(guó)宇航局通過維基共享資源

生命的起源

在 2000 年代之前，系外行星的發(fā)現(xiàn)非常少見，因?yàn)槿祟惛緵]有工具來(lái)尋找它們。但不是因?yàn)槿狈L試——科學(xué)家們圍繞著那些被認(rèn)為對(duì)他們那個(gè)時(shí)代來(lái)說過于雄心勃勃的系外行星獵人的想法。

歸零干涉法最早由斯坦福大學(xué)電氣工程師羅納德·布雷斯韋爾于 1978 年提出。后來(lái)，NASA 和 ESA 分別于 2002 年和 1993 年通過為類地行星探測(cè)器干涉儀 (TPFI) 和達(dá)爾文任務(wù)開綠燈，獨(dú)立采納了這一概念。令科學(xué)界懊惱的是，預(yù)算限制導(dǎo)致 2007 年取消 TPFI。同年，歐空局取消了達(dá)爾文。在這兩項(xiàng)任務(wù)中，當(dāng)時(shí)的技術(shù)和系外行星知識(shí)顯然不足以證明巨額的財(cái)務(wù)成本是合理的。兩家航天機(jī)構(gòu)都擱置了這些想法，將它們作為死胡同的項(xiàng)目交付給塵土飛揚(yáng)的歷史深處。

那時(shí)，尋找系外行星是一項(xiàng)冒險(xiǎn)的冒險(xiǎn)。如果一開始沒有太多的新世界可以揭開，那么對(duì)空間歸零干涉測(cè)量等激進(jìn)新技術(shù)的投資可能就不值得了。

當(dāng)一個(gè)新孩子來(lái)到街區(qū)時(shí)，一切都改變了：開普勒。

這臺(tái)漂亮的太空望遠(yuǎn)鏡使用一種稱為“過境”的方法來(lái)根除隱蔽的系外行星。它注視一顆恒星的時(shí)間足以讓一顆系外行星圍繞它運(yùn)行數(shù)次；星光中的周期性光點(diǎn)將暗示可能有一顆系外行星在恒星前方經(jīng)過——本質(zhì)上是照片轟炸——這顆恒星。為了實(shí)施凌日法，這位堅(jiān)定的觀星者在其全盛時(shí)期巡視了同一片天空。

開普勒于 2009 年首次開店，一年后發(fā)現(xiàn)了它的第一顆以前未知的系外行星。在開普勒首次亮相之前的十年中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆系外行星。然而，這個(gè)數(shù)字太低，科學(xué)家們無(wú)法知道系外行星，更不用說可居住的，是常見的還是稀有的——直到開普勒任務(wù)迎來(lái)了系外行星發(fā)現(xiàn)的淘金熱?？茖W(xué)家們意識(shí)到，與星系中散布的恒星一樣多，宇宙中的系外行星也會(huì)更多。在目前已知的 5000 多顆系外行星中，開普勒在它默默守護(hù)著夜空的九年里，對(duì)其中一半以上的行星進(jìn)行了觀測(cè)。

開普勒預(yù)示著使用凌日法發(fā)現(xiàn)系外行星的爆炸性時(shí)代來(lái)臨。Ipac，加州理工學(xué)院

盡管開普勒的生產(chǎn)力很高，但凌日技術(shù)也有其自身的局限性：對(duì)于系外行星來(lái)說，完成圍繞其恒星的幾次往返實(shí)際上是一場(chǎng)漫長(zhǎng)的等待游戲。因此，堅(jiān)定的觀星者一次只能凝視同一片天空數(shù)年。想象一下，如果人類有一個(gè)天文臺(tái)，可以觀察整個(gè)宇宙并實(shí)時(shí)跟蹤系外行星，而不必等待它們完成軌道，那么科學(xué)家們可以發(fā)現(xiàn)的大量系外行星。

Quanz 和他的團(tuán)隊(duì)從開普勒的生產(chǎn)力中獲取了統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并模擬了像 LIFE 這樣可以直接探測(cè)系外行星的假設(shè)任務(wù)的回報(bào)率?！拔覀冎皇窍氆@得第一感覺，”Quanz 說，“而答案卻是壓倒性的。” 他回憶起 2017 年左右在晚餐時(shí)將他的早期計(jì)算結(jié)果傳達(dá)給比他年長(zhǎng)的資深研究人員。猜猜達(dá)爾文可能發(fā)現(xiàn)了多少系外行星，他問他們。Quanz 記得，一位教授隨機(jī)對(duì)沖了十二這個(gè)數(shù)字。讓聽眾震驚的是，Quanz 告訴他們，在不到一年的時(shí)間里，像LIFE 這樣的任務(wù)可以鎖定 300 多個(gè)。

“正是這種興奮，知道這項(xiàng)任務(wù)可以帶來(lái)什么，”Quanz 說。在 TPFI 和達(dá)爾文之后的幾年里，技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到天基零位干涉測(cè)量不再是不可想象的地步。取而代之的是，像 LIFE 這樣的倡議正朝著可行的方向發(fā)展?！拔抑皇潜贿@個(gè)想法所吸引，”Quanz 補(bǔ)充道。

ESA 在 1990 年代對(duì)達(dá)爾文的概念。國(guó)際會(huì)計(jì)準(zhǔn)則

重新構(gòu)想的飛行太空望遠(yuǎn)鏡

NASA 的天體物理學(xué)家 Bertrand Mennesson 說，如果歸零干涉測(cè)量法最終成為太空探索中的下一個(gè)重大問題，那將是因?yàn)橄?Quanz 這樣年輕有決心的人。Mennesson 本人是從事 TPFI 工作的科學(xué)家之一，之后他被轉(zhuǎn)移到其他項(xiàng)目?！白屝氯丝吹竭@一點(diǎn)并可能得出新的結(jié)論是件好事，”他補(bǔ)充道。一個(gè)這樣的例子是，該技術(shù)首先是否可以合理實(shí)現(xiàn)。下一步將需要召集不同的太空?qǐng)F(tuán)隊(duì)來(lái)組裝一個(gè)工作原型并爭(zhēng)取大量資金。

排在待辦事項(xiàng)清單上的是自主航天器之間編隊(duì)飛行的演示。LIFE 將由四個(gè)獨(dú)立的收集器航天器組成，這些航天器收集來(lái)自系外行星的紅外信號(hào)，然后將其重新定向到中央探測(cè)器。為了讓 LIFE 發(fā)揮作用，科學(xué)家們需要準(zhǔn)備好他們的推進(jìn)系統(tǒng)、航天器間的通信以及保持其工作波長(zhǎng)精度穩(wěn)定的能力。這些自主紅外收集器將相距數(shù)千英尺，與目標(biāo)位置的偏差最多只能是人類頭發(fā)寬度的十分之一。

近年來(lái)，小型衛(wèi)星（smallsats）和集群技術(shù)的興起對(duì)于鞭打編隊(duì)飛行成形以賦予生命（或歸零干涉測(cè)量）新的生命租約至關(guān)重要。低地球軌道上的小衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星是首次亮相編隊(duì)飛行的合適原型平臺(tái)。少數(shù)軌道編隊(duì)飛行器已經(jīng)部署在地球附近——不久的將來(lái)還會(huì)有幾個(gè)——作為試驗(yàn)臺(tái)，以解決該技術(shù)的各個(gè)方面。這些增量步驟將證明未來(lái)幾十年編隊(duì)飛行的可行性。

人生使命

LIFE 面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何塑造當(dāng)前的紅外技術(shù)格局。幸運(yùn)的是，JWST 的發(fā)展加速了新項(xiàng)目最終將使用的中紅外光學(xué)器件。紅外線是尋找行星干涉儀的首選光波長(zhǎng)，因?yàn)樾行谴髿庵械脑S多化學(xué)物質(zhì)都會(huì)在該波長(zhǎng)下吸收。LIFE 不僅對(duì)揭示新的宜居行星具有更高的敏感性，而且還可能以其同名的方式提供——讓科學(xué)家們能夠更詳細(xì)地研究行星表面的潛在生物特征，如甲烷和二氧化碳。

與此同時(shí)，科學(xué)家們?cè)诘却炜罩械募t外干涉儀的開發(fā)和善用地球紅外干涉儀的工作并不乏力。這種解決方案可以繞過編隊(duì)飛行，因?yàn)閱蝹€(gè)望遠(yuǎn)鏡可以更容易地在地面上移動(dòng)。（在智利的超大望遠(yuǎn)鏡干涉儀上，它的四個(gè)輔助望遠(yuǎn)鏡中的每一個(gè)都可以在卡車頂上穿梭。）然而，這些望遠(yuǎn)鏡必須與紅外天文學(xué)的克星：大氣，它吸收了來(lái)自天空的輻射。澳大利亞悉尼大學(xué)的天體物理學(xué)家巴納比·諾里斯說，空氣中的湍流也模糊了這些微弱的外星讀數(shù)——這就像從游泳池底部抬頭看外面的世界。

智利超大望遠(yuǎn)鏡的輔助望遠(yuǎn)鏡可以重新布置以進(jìn)行零位干涉測(cè)量。ESO/米?？死_

使命的新希望

盡管天基歸零干涉測(cè)量似乎不可避免，但迄今為止，航天機(jī)構(gòu)尚未制定具體計(jì)劃來(lái)實(shí)施它。

歸零干涉測(cè)量不是歐空局確認(rèn)的任務(wù)之一，歐空局也沒有專門為開發(fā)該技術(shù)的一致承諾分配資金。歐空局科學(xué)主任 Günther Hasinger 說：“目前，它不在我們的近期議程上，”至少要到 2050 年?！艾F(xiàn)在將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于太空要求太高了?！?/p>

在大西洋彼岸，NASA 正在積極尋求替代星光阻擋技術(shù)，這些技術(shù)實(shí)際上更簡(jiǎn)單，但更適合稍短的波長(zhǎng)。Mennesson 說，這些技術(shù)不一定能替代歸零干涉測(cè)量，但可以在尋找外星生命時(shí)補(bǔ)充后者。

盡管如此，通過磨練中紅外波長(zhǎng)來(lái)消除干涉測(cè)量法解決遙遠(yuǎn)的類地行星的能力是其他系外行星探索方法無(wú)法填補(bǔ)的利基市場(chǎng)。

“在這項(xiàng)技術(shù)上顯然還有很多工作要做，”諾里斯說，“但我認(rèn)為沒有什么是不可克服的。”

Quanz 說，他將探索所有途徑，例如獲得太空機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)或與私營(yíng)實(shí)體的合作，以將 LIFE 帶入生活。

他的靈感來(lái)自于 LIFE 的使命必須感謝的人：加利福尼亞州 NASA 艾姆斯研究中心的退休太空科學(xué)家、開普勒任務(wù)的首席研究員 William Borucki。很難想象開普勒這個(gè)人類迄今為止揮舞著的最具革命性的系外行星獵手，自己的開端并不順利：自 1990 年代初以來(lái)，NASA 曾四次拒絕該任務(wù)概念，但最終在近 20 年后部署。

Quanz 記得 2014 年在葡萄牙卡斯卡伊斯舉行的一次會(huì)議上從 Borucki 那里得到了這個(gè)建議：“如果你真的對(duì)某件事深信不疑……你必須堅(jiān)持下去，讓它發(fā)生?！?繼這一星光熠熠的遺產(chǎn)之后，LIFE 將在其前輩離開的地方繼續(xù)前進(jìn)，向天空射擊。