[비즈한국] 美国国家航空航天局（NASA）未来会执行什么样的任务呢？其实有一个地方可以让我们一窥未来几年即将进行的太空探索任务。美国国家科学院（NAS）每年都会组织天文学家聚会，构思未来10年的长期探测计划。他们规划的不仅是眼前，甚至涵盖了未来10年乃至数十年的蓝图。因此，查看他们每十年公布一次的《十年调查报告》（Decadal Survey），就能了解当前天文学界正朝着什么样的未来迈进。
1972年，天文学家构思了一种大型太空望远镜，旨在未来十年内从紫外线、可见光到红外线，对宇宙进行全方位的观测。这一构想最终孕育了哈勃太空望远镜。2001年，天文学界宣布新的目标是建造一台能够集中观测大爆炸后早期宇宙的超大型太空望远镜，并将资金投入到下一代太空望远镜（NGST）项目中。在那次历史性宣言发表20年后，这台望远镜以“詹姆斯·韦布”之名飞向了太空。
那么，现在天文学家所梦想的10年、20年后的太空探索将指向何方呢？天文学家们的新焦点正转向外星生命，以及寻找可能存在生命的行星。他们正在构思专门用于搜寻生命迹象的新型望远镜。
2023年公布的愿景十分宏大：在银河系中围绕数亿颗恒星寻找尽可能多的行星。迄今为止，最活跃的外星行星猎手当属开普勒太空望远镜。开普勒在发现超过5000颗系外行星后退役了。随后，TESS接过了接力棒，算上候选行星，目前人类发现的系外行星总数已超过一万颗。
但我们不能止步于此。因为至今尚未确切发现一颗真正存在生命的系外行星。天文学家们现在构思的新型太空望远镜，重点将完全放在系外行星及其生命迹象（生物标记）的搜寻上。根据计划，该望远镜的镜面直径约为6米，与詹姆斯·韦布相似。不过有一个重要区别：与只观测红外线的詹姆斯·韦布不同，这款新望远镜能够观测从红外线、可见光到紫外线等多种波长的光。这是将原本两个独立项目合并后的计划。
该项目有个非常直白的名字，叫作“大型紫外/光学/红外测量仪”（LUVOIR）。它的目标是发射一台直径达10到15米的巨型太空望远镜，对红外线、可见光及紫外线等广泛波长的光进行高分辨率观测。虽然有建议称应在卡尔·萨根诞辰100周年之际的2034年发射，但由于计划规模过于庞大，其实施可行性尚不明确。
另一个项目是“宜居系外行星天文台”（HabEx）。这同样是一台专为搜寻系外行星设计的新型太空望远镜。开普勒等此前的许多观测主要利用“凌日法”，即观察行星从恒星前方经过时恒星亮度的微弱减弱。而HabEx设想了一种更积极的方法，它计划在望远镜瞄准的恒星前方部署巨大的遮光板，从源头上最大限度地减少恒星光的干扰。这样，就能更清晰地拍摄到隐藏在明亮星光中的系外行星的照片。
此次新公布的计划将LUVOIR和HabEx两个项目和谐地结合在了一起，简称为“宜居世界天文台”（HWO）。HWO的目标不仅是寻找其他恒星旁是否有行星，更旨在准确探测到生命存在的迹象。
既然詹姆斯·韦布已经在运行，还有必要发射HWO吗？詹姆斯·韦布虽然出色，但有其现实且重要的局限性。它并非专门为系外行星设计的望远镜，而是一台多功能望远镜，承担着观测大爆炸后早期宇宙、太阳系行星、恒星与星系诞生场所等多种天文任务。系外行星只是其整体任务中的一部分，因此很难获得足够的观测时间来搜寻生命迹象。
此外还有科学难题。要识别生命迹象，必须了解系外行星的大气成分。詹姆斯·韦布和此前的观测一样，通过凌日期间行星大气穿过星光时留下的光谱化学痕迹来推断其成分。
然而，这种方式需要漫长的等待。仅凭单次观测很难获得足够好的数据，必须等待行星再次运行到恒星前方。只有经过多次凌日观测，才能积累具有统计学意义的数据。
凌日法本身也存在先天缺陷。正如刚才所言，为了积累数据，必须多次见证凌日，因此更容易观测到公转周期短的系外行星。只需等待几天或几周就能看到下一次凌日。但这引出了另一个问题：公转周期短意味着行星紧贴着中心恒星，轨道极小。由于距离太近，行星容易受到恒星耀斑的直接冲击。即使行星因恒星光度适中而温度适宜，一次耀斑爆发也可能让生命瞬间消失。因此，过度依赖凌日法会导致观测偏差，只盯着那些根本不具备生命生存条件的行星。
为了克服这一局限，HWO将采用两种主要方法。首先是日冕仪，它利用了HabEx构想中遮光板的原理。通过在望远镜的光路中间插入一个小圆板遮挡恒星光，隐藏在周围的暗淡系外行星就会显现出来。事实上，詹姆斯·韦布已经尝试过这种方法，即将发射的下一代南希·格雷斯·罗曼太空望远镜也将采用它。
这种方法最大的优势是不必依赖行星凌日。凌日法存在一个致命问题：只有当行星轨道角度恰好合适，足以遮挡恒星时才能使用。如果倾角稍微偏离，无论行星如何公转，都不会遮挡恒星，我们也无法观察到亮度的显著减弱。
而日冕仪只需遮住恒星，就能直接拍摄隐藏在周围的系外行星。因此，它不受是否凌日的限制。我们能发现更多那些因轨道倾角过大，导致凌日法无法确认其存在、从而被遗漏的行星。
当然，技术难关依然存在。我们的最终目标不是木星那种巨大的气态巨行星，而是像地球一样小的岩石行星。如果行星尺寸小，其反射的星光自然也会很暗。要从明亮的恒星光中捕捉到隐藏的系外行星，需要极高的灵敏度来区分强光与弱光。在同一张照片中，必须能够感应到比明亮星光暗100亿倍的小斑点。目前的技术水平勉强能感应到比最强光暗1亿倍的天体，前路依然漫长。这是集合所有光学技术需要攻克的重要课题之一。
HWO将采用的另一项特殊技术是积分场光谱仪（IFU）。此前的观测是对系外行星的整体光线进行光谱分析，而IFU能将行星的图像和光谱细分为多个像素点来观测。通过这种方式，我们不再是将行星光线笼统看待，而是可以精细地分析出系外行星表面哪些区域的生命迹象更为明显。
NASA已经为HWO编列了预算，并正在商讨发射日程，计划在2040年代升空。虽然这听起来像是遥远的未来，但考虑到詹姆斯·韦布在人们认为遥不可及的情况下最终发射并每日带来惊人的科研成果，HWO成为现实的日子也指日可待。
与此同时，欧洲空间局（ESA）也在构思一种专门探索系外行星及其生命迹象的新型空间望远镜。虽然规模比NASA的HWO小，但其论证充分，计划在更早的2029年左右发射。该任务被称为“大气遥感红外系外行星大规模测量仪”，简称“阿里尔”（ARIEL）。这个名字与动画片《小美人鱼》同名。考虑到其目标是寻找像地球一样可能拥有液态海洋的系外行星，这个名字起得相当贴切。
阿里尔将像现在的詹姆斯·韦布一样，被送往月球轨道之外的L2点。阿里尔的体积并不大，其独特之处在于内部配备了一个横向挤压的椭圆形反射镜，长轴约1米，短轴约70厘米。阿里尔将对超过1000颗不同系外行星的大气成分进行更精细的调查。正如美国国家科学院的《十年调查报告》一样，ESA每年也会通过“宇宙愿景”（Cosmic Vision）提出未来太空探索的宏大蓝图，而阿里尔正是其中新确定的计划。
HWO和阿里尔与现有的地面及太空望远镜有一个重要的区别：它们完全以系外行星，尤其是解析其大气成分为核心目标。例如，詹姆斯·韦布虽然观测红外线，但它同时还要兼顾星系、恒星等其他天体，因此在设计上无法覆盖对解析系外行星大气成分至关重要的所有红外波段。为了实现多重目的，它做出了一定的妥协。但HWO和阿里尔从设计之初就是为了系外行星大气层服务，因此能够获得针对性的优化设计。
有趣的是，人类在未来10到20年内最关注、最努力的目标，在天文学界大多聚焦于系外行星和外星生命的搜寻。这足以让人感受到，在不久前还被当作科幻小说的领域，如今的地位已经显著提升。
回首过去，虽然系外行星不断被发现，认真思考外星生命存在可能性的天文学家也在持续增加，但专门以系外行星及其生命迹象为唯一目标的专业太空望远镜几乎从未有过。（虽然有开普勒望远镜，但它并没有深入查看系外行星的大气层。）在某种意义上，人类或许从未真正深入窥视过外星生命的迹象。如今，我们终于完成了所有心理准备，开始梦想着那真正意义上的首次探索。
参考资料
https://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel_moves_from_blueprint_to_reality
https://arielmission.space/index.php/press-releases/
https://nap.nationalacademies.org/catalog/26141/pathways-to-discovery-in-astronomy-and-astrophysics-for-the-2020s
作者池雄培（Ji Woong-bae）？热爱猫咪与宇宙。童年时看过《银河铁道999》后，立志将宇宙的美丽传播给世人。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过星系相互作用导致的演化，并进行讲演和科普写作等科学传播活动。著有《暧昧中的天文台》、《整天思考宇宙》、《星，光之科学》等书。