用于系外行星的大型干涉儀可以使用一系列工具來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鏡幫助天文學家尋找像 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做同樣的事情。NASA/JPL-加州理工學院
作為有史以來向宇宙交付的最大、最復雜的人造裝置，詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST) 于去年的發(fā)射讓天文學家感到痛心。該望遠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的物體。但下一代遠視望遠鏡可能不一定要擊敗 JWST 的重量才能超越其愿景。
歸零干涉測量是一種觀察技術，它通過混合來自同一目標的多個同時視圖的光來收集有關天文物體的數據。消零是指如何結合這種光來阻擋來自物體（例如恒星）的壓倒性背景，以增強源自更微弱目標的信號，例如在恒星眩光下曬太陽的軌道行星。該技術解決了系外行星觀測最棘手的挑戰(zhàn)之一：對比度問題。與其他競爭技術相比，歸零干涉測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，每個光收集器需要彼此間隔數百米。這是創(chuàng)新的部分：不是部署一個帶有多個探測器的笨重裝置，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飛行。自主編隊飛行器的優(yōu)勢是深遠的——這些探測器可以向外或向內移動以瞄準不同的目標、旋轉和旋轉中央收集器以調制它們接收到的天文信號。
雖然在未來幾十年內不會部署空間歸零干涉儀，但由瑞士蘇黎世聯邦理工學院的天體物理學家 Sascha Quanz 領導的一項工作正在將歸零干涉儀從繪圖板推向現實。他支持的任務毫不掩飾其目的：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。他的團隊提議的紅外天文臺包括五個同步飛行的獨立航天器，以實現具有 1,970 英尺寬主鏡的望遠鏡的分辨率。（相比之下，世界上最大的太空天文臺 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幾十年的三大任務主題之一，為此生活可能是一個主要的競爭者進行。LIFE 的概念正在加速發(fā)展，但這并不是第一次在太空中調零干涉測量法引起人們的興趣——幾十年前，這個想法被技術和財務障礙所挫敗，使得外星調零干涉測量實際上不可行。從那以后的幾十年里，技術改進使歸零干涉測量比以往任何時候都更接近現實。LIFE 可能是完成零干涉測量的救贖故事的使命。
NASA 在 2000 年代初提出的類地行星探測器概念。美國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)現非常少見，因為人類根本沒有工具來尋找它們。但不是因為缺乏嘗試——科學家們圍繞著那些被認為對他們那個時代來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電氣工程師羅納德·布雷斯韋爾于 1978 年提出。后來，NASA 和 ESA 分別于 2002 年和 1993 年通過為類地行星探測器干涉儀 (TPFI) 和達爾文任務開綠燈，獨立采納了這一概念。令科學界懊惱的是，預算限制導致 2007 年取消 TPFI。同年，歐空局取消了達爾文。在這兩項任務中，當時的技術和系外行星知識顯然不足以證明巨額的財務成本是合理的。兩家航天機構都擱置了這些想法，將它們作為死胡同的項目交付給塵土飛揚的歷史深處。
那時，尋找系外行星是一項冒險的冒險。如果一開始沒有太多的新世界可以揭開，那么對空間歸零干涉測量等激進新技術的投資可能就不值得了。
當一個新孩子來到街區(qū)時，一切都改變了：開普勒。
這臺漂亮的太空望遠鏡使用一種稱為“過境”的方法來根除隱蔽的系外行星。它注視一顆恒星的時間足以讓一顆系外行星圍繞它運行數次；星光中的周期性光點將暗示可能有一顆系外行星在恒星前方經過——本質上是照片轟炸——這顆恒星。為了實施凌日法，這位堅定的觀星者在其全盛時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，已經發(fā)現了數百顆系外行星。然而，這個數字太低，科學家們無法知道系外行星，更不用說可居住的，是常見的還是稀有的——直到開普勒任務迎來了系外行星發(fā)現的淘金熱?？茖W家們意識到，與星系中散布的恒星一樣多，宇宙中的系外行星也會更多。在目前已知的 5000 多顆系外行星中，開普勒在它默默守護著夜空的九年里，對其中一半以上的行星進行了觀測。
開普勒預示著使用凌日法發(fā)現系外行星的爆炸性時代來臨。Ipac，加州理工學院
盡管開普勒的生產力很高，但凌日技術也有其自身的局限性：對于系外行星來說，完成圍繞其恒星的幾次往返實際上是一場漫長的等待游戲。因此，堅定的觀星者一次只能凝視同一片天空數年。想象一下，如果人類有一個天文臺，可以觀察整個宇宙并實時跟蹤系外行星，而不必等待它們完成軌道，那么科學家們可以發(fā)現的大量系外行星。
Quanz 和他的團隊從開普勒的生產力中獲取了統(tǒng)計數據，并模擬了像 LIFE 這樣可以直接探測系外行星的假設任務的回報率?！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 年左右在晚餐時將他的早期計算結果傳達給比他年長的資深研究人員。猜猜達爾文可能發(fā)現了多少系外行星，他問他們。Quanz 記得，一位教授隨機對沖了十二這個數字。讓聽眾震驚的是，Quanz 告訴他們，在不到一年的時間里，像LIFE 這樣的任務可以鎖定 300 多個。
“正是這種興奮，知道這項任務可以帶來什么，”Quanz 說。在 TPFI 和達爾文之后的幾年里，技術已經發(fā)展到天基零位干涉測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。“我只是被這個想法所吸引，”Quanz 補充道。
ESA 在 1990 年代對達爾文的概念。國際會計準則
重新構想的飛行太空望遠鏡
NASA 的天體物理學家 Bertrand Mennesson 說，如果歸零干涉測量法最終成為太空探索中的下一個重大問題，那將是因為像 Quanz 這樣年輕有決心的人。Mennesson 本人是從事 TPFI 工作的科學家之一，之后他被轉移到其他項目?！白屝氯丝吹竭@一點并可能得出新的結論是件好事，”他補充道。一個這樣的例子是，該技術首先是否可以合理實現。下一步將需要召集不同的太空團隊來組裝一個工作原型并爭取大量資金。
排在待辦事項清單上的是自主航天器之間編隊飛行的演示。LIFE 將由四個獨立的收集器航天器組成，這些航天器收集來自系外行星的紅外信號，然后將其重新定向到中央探測器。為了讓 LIFE 發(fā)揮作用，科學家們需要準備好他們的推進系統(tǒng)、航天器間的通信以及保持其工作波長精度穩(wěn)定的能力。這些自主紅外收集器將相距數千英尺，與目標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，小型衛(wèi)星（smallsats）和集群技術的興起對于鞭打編隊飛行成形以賦予生命（或歸零干涉測量）新的生命租約至關重要。低地球軌道上的小衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星是首次亮相編隊飛行的合適原型平臺。少數軌道編隊飛行器已經部署在地球附近——不久的將來還會有幾個——作為試驗臺，以解決該技術的各個方面。這些增量步驟將證明未來幾十年編隊飛行的可行性。
人生使命
LIFE 面臨的另一個挑戰(zhàn)是如何塑造當前的紅外技術格局。幸運的是，JWST 的發(fā)展加速了新項目最終將使用的中紅外光學器件。紅外線是尋找行星干涉儀的首選光波長，因為行星大氣中的許多化學物質都會在該波長下吸收。LIFE 不僅對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——讓科學家們能夠更詳細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，科學家們在等待天空中的紅外干涉儀的開發(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飛行，因為單個望遠鏡可以更容易地在地面上移動。（在智利的超大望遠鏡干涉儀上，它的四個輔助望遠鏡中的每一個都可以在卡車頂上穿梭。）然而，這些望遠鏡必須與紅外天文學的克星：大氣，它吸收了來自天空的輻射。澳大利亞悉尼大學的天體物理學家巴納比·諾里斯說，空氣中的湍流也模糊了這些微弱的外星讀數——這就像從游泳池底部抬頭看外面的世界。
智利超大望遠鏡的輔助望遠鏡可以重新布置以進行零位干涉測量。ESO/米。克拉羅
使命的新希望
盡管天基歸零干涉測量似乎不可避免，但迄今為止，航天機構尚未制定具體計劃來實施它。
歸零干涉測量不是歐空局確認的任務之一，歐空局也沒有專門為開發(fā)該技術的一致承諾分配資金。歐空局科學主任 Günther Hasinger 說：“目前，它不在我們的近期議程上，”至少要到 2050 年?！艾F在將這項技術應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，這些技術實際上更簡單，但更適合稍短的波長。Mennesson 說，這些技術不一定能替代歸零干涉測量，但可以在尋找外星生命時補充后者。
盡管如此，通過磨練中紅外波長來消除干涉測量法解決遙遠的類地行星的能力是其他系外行星探索方法無法填補的利基市場。
“在這項技術上顯然還有很多工作要做，”諾里斯說，“但我認為沒有什么是不可克服的?！?/p>
Quanz 說，他將探索所有途徑，例如獲得太空機構的批準或與私營實體的合作，以將 LIFE 帶入生活。
他的靈感來自于 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家、開普勒任務的首席研究員 William Borucki。很難想象開普勒這個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，NASA 曾四次拒絕該任務概念，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議上從 Borucki 那里得到了這個建議：“如果你真的對某件事深信不疑……你必須堅持下去，讓它發(fā)生。” 繼這一星光熠熠的遺產之后，LIFE 將在其前輩離開的地方繼續(xù)前進，向天空射擊。
