美國宇航局的宜居世界天文臺將如何搜索系外行星尋找外星生命的跡象 _美國

一幅插圖顯示了在地球軌道上的可居住世界望遠鏡，它的遮星板打開了。(圖片鳴謝:NASA/Robert Lea)
據美國太空網（羅伯特·李）：美國宇航局的可居住世界天文臺(HWO)的計劃正在進行中，該天文臺將搜索太陽系外行星的大氣層，尋找外星生命的跡象。
本周，加州理工學院(Caltech)舉辦了一場研討會，科學家和工程師們討論了HWO可能采用的技術狀態(tài) ，這是繼詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)之后，美國宇航局的下一個大型望遠鏡項目之一。
在太陽系外圍繞遙遠恒星運行的行星——系外行星——的大氣層中尋找生命跡象，就像是在宇宙大海里撈針。畢竟，美國宇航局估計有幾十億顆地球大小的行星位于其恒星的可居住區(qū) ，這些區(qū)域的溫度適宜液態(tài)水存在。這僅僅是在銀河系中。
然而，科學家們至少知道他們應該尋找什么，以及潛在的生命跡象的知識。
“我們希望探測這些系外行星的大氣層，尋找氧氣、甲烷、水蒸氣和其他可能表明生命存在的化學物質， ”美國宇航局系外行星探索項目首席技術專家尼克·西格勒在一份聲明中說。“我們不會看到小綠人，而是這些關鍵化學物質的光譜特征，或者我們所說的生物特征。”
HWO最初是由2020年天文學和天體物理學十年調查(Astro2020)作為首要任務提出的，這是天文學界未來十年的目標路線圖。這是因為，除了尋找太陽系外的生命跡象和幫助天文學家了解整個行星系統(tǒng)，天文臺還將在天體物理學研究中發(fā)揮重要作用。
根據HWO技術評估小組(TAG)成員Dmitry Mawet的說法，盡管該任務將在21世紀30年代末或21世紀40年代初發(fā)射，但望遠鏡現在將使用的先進技術可能有助于防止以后的成本超支。

一幅插圖顯示了環(huán)繞地球軌道上的可居住世界望遠鏡，以及(插圖)該項目將調查的系外行星類型，以尋找生命跡象。(圖片鳴謝:(主)NASA/羅伯特·李(插圖)NASA艾姆斯/JPL-加州理工學院/t·派爾)
向遙遠的星星投下陰影
為了對系外行星大氣層進行深入研究，以尋找生命跡象，HWO將利用其能力遮擋系外行星軌道上恒星的光芒。
阻擋來自這些恒星的強光將允許微弱的星光被這些恒星周圍的軌道行星的大氣層反射，從而被看到。化學元素和化合物吸收并發(fā)出獨特波長的光，這意味著暴露在行星大氣中的光攜帶著組成它的元素的指紋。
科學家利用這種光，通過一種叫做光譜學的方法，尋找這些指紋。這種化學指紋可以包括指示生物呼出或吸入的化學化合物的生物特征。
HWO有兩種主要的方式來阻擋多余的星光。一方面，它可以利用一個大型的外部遮光罩，它將在發(fā)射后從HWO展開成一個巨大的向日葵形傘。
或者，它可以使用一種叫做日冕儀的內部恒星遮光罩，類似于科學家用來阻擋太陽明亮光球層光線的儀器，以研究其模糊的外層大氣或日冕。西格勒補充說，目前，美國宇航局已經決定將HWO的重點放在其他幾架望遠鏡上使用的日冕儀技術上，包括JWST和即將到來的南希·格蕾絲·羅曼望遠鏡。

在太空中可以看到一顆看起來像地球但有黃色陰影的行星和一顆遙遠的恒星。(圖片來源:美國宇航局艾姆斯/JPL-加州理工學院/T .派爾)
位于夏威夷莫納克亞山上的W. M .凱克天文臺已經在使用一臺由Mawet發(fā)明的日冕儀結合凱克行星成像儀和表征器(KPIC)研究系外行星。日冕儀讓KPIC拍攝年輕和熾熱的氣態(tài)巨行星的熱輻射，使科學家能夠研究這些行星及其行星系統(tǒng)如何演變。
HWO將瞄準的類地行星發(fā)出的光線比它們的恒星弱大約100億倍，這意味著未來太空望遠鏡的日冕儀需要將星光遠遠超過目前的極限。
“隨著我們越來越接近所需的星光抑制水平，挑戰(zhàn)變得更加困難，”Mawet補充道。
用變形鏡抑制星光
在加州理工學院會議上提出的加強抑制來自遙遠恒星的光的想法之一是在日冕儀中放置一面鏡子，可以變形來控制光線。
使用數千個致動器來驅動鏡子的形狀以及推拉其反射表面，可以阻止雜散光進入最終圖像，從而防止多余的殘余星光“斑點” 。這種可變形的“主動”反射鏡將被南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡使用，事實上，該天文臺將不遲于2027年發(fā)射。羅曼應該讓天文學家看到比他們的恒星暗十億倍左右的氣體巨星，以及行星誕生時留下的恒星周圍的碎片。
這將是HWO需要的更強大技術的重要墊腳石，填補了日冕儀面罩和主動反射鏡的空白，它們太大了，無法在一個眾所周知的界限內覆蓋。
“我們需要能夠將鏡子變形到皮米級的精度，”Mawet解釋道。“與羅曼的日冕儀相比，我們需要將星光抑制大約100倍。”
在加州理工學院會議期間，科學家們還討論了用于HWO的最佳鏡子類型和應該涂什么，以及望遠鏡的其他潛在儀器。
隨著HWO計劃的繼續(xù)認真進行，天文學家們也在為未來的望遠鏡選擇類似地球的系外行星目標來訓練它的目光。這一搜尋將包括在凱克天文臺使用由加州理工學院運營的凱克行星探測器(KPF)，該探測器是專門為在小紅星的可居住區(qū)尋找類地行星而設計的。
“研討會幫助指導我們找出我們技術中的差距，以及我們在未來十年需要做更多開發(fā)的地方，”Mawet總結道。