美国宇航局的宜居世界天文台将如何搜索系外行星寻找外星生命的迹象

顺其自然362

一幅插图显示了在地球轨道上的可居住世界望远镜，它的遮星板打开了。(图片鸣谢:NASA/Robert Lea)

（）据美国太空网（罗伯特·李）：美国宇航局的可居住世界天文台(HWO)的计划正在进行中，该天文台将搜索太阳系外行星的大气层，寻找外星生命的迹象。

本周，加州理工学院(Caltech)举办了一场研讨会，科学家和工程师们讨论了HWO可能采用的技术状态，这是继詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)之后，美国宇航局的下一个大型望远镜项目之一。

在太阳系外围绕遥远恒星运行的行星——系外行星——的大气层中寻找生命迹象，就像是在宇宙大海里捞针。毕竟，美国宇航局估计有几十亿颗地球大小的行星位于其恒星的可居住区，这些区域的温度适宜液态水存在。这仅仅是在银河系中。

然而，科学家们至少知道他们应该寻找什么，以及潜在的生命迹象的知识。

“我们希望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，”美国宇航局系外行星探索项目首席技术专家尼克·西格勒在一份声明中说。“我们不会看到小绿人，而是这些关键化学物质的光谱特征，或者我们所说的生物特征。”

HWO最初是由2020年天文学和天体物理学十年调查(Astro2020)作为首要任务提出的，这是天文学界未来十年的目标路线图。这是因为，除了寻找太阳系外的生命迹象和帮助天文学家了解整个行星系统，天文台还将在天体物理学研究中发挥重要作用。

根据HWO技术评估小组(TAG)成员Dmitry Mawet的说法，尽管该任务将在21世纪30年代末或21世纪40年代初发射，但望远镜现在将使用的先进技术可能有助于防止以后的成本超支。



一幅插图显示了环绕地球轨道上的可居住世界望远镜，以及(插图)该项目将调查的系外行星类型，以寻找生命迹象。(图片鸣谢:(主)NASA/罗伯特·李(插图)NASA艾姆斯/JPL-加州理工学院/t·派尔)

向遥远的星星投下阴影

为了对系外行星大气层进行深入研究，以寻找生命迹象，HWO将利用其能力遮挡系外行星轨道上恒星的光芒。

阻挡来自这些恒星的强光将允许微弱的星光被这些恒星周围的轨道行星的大气层反射，从而被看到。化学元素和化合物吸收并发出独特波长的光，这意味着暴露在行星大气中的光携带着组成它的元素的指纹。

科学家利用这种光，通过一种叫做光谱学的方法，寻找这些指纹。这种化学指纹可以包括指示生物呼出或吸入的化学化合物的生物特征。

HWO有两种主要的方式来阻挡多余的星光。一方面，它可以利用一个大型的外部遮光罩，它将在发射后从HWO展开成一个巨大的向日葵形伞。

或者，它可以使用一种叫做日冕仪的内部恒星遮光罩，类似于科学家用来阻挡太阳明亮光球层光线的仪器，以研究其模糊的外层大气或日冕。西格勒补充说，目前，美国宇航局已经决定将HWO的重点放在其他几架望远镜上使用的日冕仪技术上，包括JWST和即将到来的南希·格蕾丝·罗曼望远镜。



在太空中可以看到一颗看起来像地球但有黄色阴影的行星和一颗遥远的恒星。(图片来源:美国宇航局艾姆斯/JPL-加州理工学院/T .派尔)

位于夏威夷莫纳克亚山上的W. M .凯克天文台已经在使用一台由Mawet发明的日冕仪结合凯克行星成像仪和表征器(KPIC)研究系外行星。日冕仪让KPIC拍摄年轻和炽热的气态巨行星的热辐射，使科学家能够研究这些行星及其行星系统如何演变。

HWO将瞄准的类地行星发出的光线比它们的恒星弱大约100亿倍，这意味着未来太空望远镜的日冕仪需要将星光远远超过目前的极限。

“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，”Mawet补充道。

用变形镜抑制星光

在加州理工学院会议上提出的加强抑制来自遥远恒星的光的想法之一是在日冕仪中放置一面镜子，可以变形来控制光线。

使用数千个致动器来驱动镜子的形状以及推拉其反射表面，可以阻止杂散光进入最终图像，从而防止多余的残余星光“斑点”。这种可变形的“主动”反射镜将被南希·格雷斯·罗曼太空望远镜使用，事实上，该天文台将不迟于2027年发射。罗曼应该让天文学家看到比他们的恒星暗十亿倍左右的气体巨星，以及行星诞生时留下的恒星周围的碎片。

这将是HWO需要的更强大技术的重要垫脚石，填补了日冕仪面罩和主动反射镜的空白，它们太大了，无法在一个众所周知的界限内覆盖。

“我们需要能够将镜子变形到皮米级的精度，”Mawet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。”

在加州理工学院会议期间，科学家们还讨论了用于HWO的最佳镜子类型和应该涂什么，以及望远镜的其他潜在仪器。

随着HWO计划的继续认真进行，天文学家们也在为未来的望远镜选择类似地球的系外行星目标来训练它的目光。这一搜寻将包括在凯克天文台使用由加州理工学院运营的凯克行星探测器(KPF)，该探测器是专门为在小红星的可居住区寻找类地行星而设计的。

“研讨会帮助指导我们找出我们技术中的差距，以及我们在未来十年需要做更多开发的地方，”Mawet总结道。