美国国家航空和宇宙航行局的下一个大型太空望远镜能拍下外星类地行星绕另一颗恒星运行的照片吗?长期以来，天文学家一直梦想拍摄这样的照片，这样他们就可以研究太阳系以外的世界，寻找适合居住和生命存在的迹象。但是，只要天文学家有梦想，让这些梦想成为现实的技术似乎还需要几十年的时间。然而，现在，杏耀资金越来越多的专家相信美国宇航局的广角红外巡天望远镜(WFIRST)不久就能拍摄“其他地球”的快照。今年2月，该机构正式开始WFIRST的工作，并计划在2025年发射该天文台。
2010年，美国国家科学院(National Academy of Sciences)将WFIRST设想为十年一次的调查中最优先考虑的项目。美国天文学家的这份报告为NASA和其他联邦科学机构提出了一份未来任务的愿望清单。哈勃望远镜的核心是一面2.4米的镜子，虽然它的大小和质量与哈勃太空望远镜相同，但它所能看到的天空全景是哈勃望远镜所能看到的天空全景的100倍。WFIRST的主要目标是研究暗能量，即推动宇宙加速膨胀的神秘力量。但另一个热门话题——人类是否在宇宙中是孤独的存在主义探索——已经在影响着这项任务。
研究人员已经发现了超过1000个系外行星——围绕其他恒星的行星——自从10年一次的调查将WFIRST作为NASA最优先的下一代天体物理学任务的关键建议以来。他们希望在未来10年内再找到成千上万的人。当WFIRST观测银河系的星系隆起时，会发现许多恒星，当行星在它们面前交叉时，这些恒星会短暂变亮，就像引力透镜一样放大它们的光。这次调查可能会发现至少和美国国家航空航天局(NASA)的开普勒太空望远镜(Kepler space telescope)一样多的行星。开普勒太空望远镜非常成功地搜寻行星，在2013年主要任务因硬件故障而终止之前，它使用不同的技术搜寻了大约5000颗可能存在的行星。
来自已知行星的粗略统计数据表明，天空中的每一颗恒星都至少有一颗伴星，或许每五颗类日恒星中就有一颗石质天体，位于不太热也不太冷的“宜居带”，那里可能存在液态水。要想知道这些行星是否与地球相似，最好的方法就是观察它们——但要从数光年之外拍下行星的照片却绝非易事。一个宜居的世界将会是一个微弱的点，在它那颗比它大100亿倍、亮度更大的恒星发出的强烈光芒中消失。瞥见它，就像看到一只萤火虫在探照灯旁飞舞，或是一束生物荧光藻在海浪中拍打着灯塔。
战斗的光
地球上动荡不安、星光模糊的大气层是地面天文台对微弱行星成像的严重障碍，大多数专家认为解决办法是使用太空望远镜。但是，无论是哈勃还是它的超大号继任者——2018年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜——都无法达到观测所需的高对比度。这两架望远镜的硬件大部分都是在行星发现的热潮之前设计的，那时围绕其他恒星的成像世界仍被认为是一个边缘研究课题。除了携带用于一般天体物理学调查和暗能量研究的广域仪器外，WFIRST还计划使用一种先进的行星成像日冕仪，这是望远镜内部的一种仪器，通过一系列复杂的遮罩、镜子和透镜来滤除星光。但这第二台仪器是后来添加的，而且WFIRST的镜子和其他光学元件并没有针对日冕仪进行优化。因此，大多数专家预测WFIRST的日冕仪将达不到拍摄地球所需的对比度。相反，它将专注于成像气态巨行星，在最有利的情况下，成像几个所谓的“超级地球”或“迷你海王星”，它们的大小大约是我们自己的行星的两倍，被认为存在生命的前景很渺茫。
WFIRST公司的日冕仪只是一个技术演示，目的是加速更先进的日冕仪的发展，以收集外星地球的图像——总有一天。拍摄这样的照片是如此具有挑战性，以至于NASA的初步计划要求推迟20年或更久，因为该机构正在开发技术和预算的喘息空间，以便在WFIRST之后建造一个全新的太空望远镜。在此期间，天文学家将继续发现天文数字的诱人行星。
WFIRST——然而,可能会提供一个捷径通过技术称为starshade-a sunflower-shaped,极薄的屏幕的一半大足球场,浮动数万公里望远镜之前,直接阻碍了目标恒星的光一样可以遮住太阳在天空中扩展的拇指。星影的羽毛状外形是为了防止光波像水一样流过岩石而设计的，否则会破坏它的超高投影。coronagraphs必须为任何望远镜的光学系统定制，而且最好与非常大的望远镜一起使用。与coronagraphs不同的是，starshades几乎可以与任何尺寸的太空望远镜一起使用。
通往地球的捷径
去年NASA的一项研究(pdf格式)发现，一个功能性的“遮光罩”可以被制造出来，并作为一个独立的任务与WFIRST会合，花费估计在5亿到10亿美元之间。starshade和望远镜协同工作，可以拍摄大约40颗行星的照片，包括一些在大小和轨道上都能反映地球的行星。普林斯顿大学教授、WFIRST日冕仪的首席科学家Jeremy Kasdin说:“当且仅当它有一个星状阴影时，WFIRST就能给我们在下个十年的后期提供一些真正的蓝色地球的图像，而不是等待下一个20年。”Jeremy Kasdin是美国宇航局星状阴影研究的合著者之一。“在对NASA的下一个巨型太空望远镜进行巨额投资之前，这是一个用更少的钱更快发现另一个地球的真正机会。”
在普林斯顿庞大的弗里克化学实验室(Frick Chemistry Lab)的地下室里，卡斯丁正在狂热地研究一个实验床:一个一米宽、75米长的试管，一端有一台摄像机，另一端有一台激光器，中间还有一个按尺寸缩小的星罩。他预测，到今年夏末，试验台将会显示出必要的对比度，如果放大到最大尺寸，就能成像类地行星。
Kasdin不是唯一一个在地下室工作的人;一个新兴的“星影社区”正在进行额外的工作。航空航天公司诺斯罗普·格鲁曼公司已经在内华达州的一个干涸湖床和亚利桑那州的一个巨型太阳望远镜上测试了小型的starshades。在美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL)，研究人员正在演示如何制造一个更大尺寸的星罩的精致花瓣，将整个结构折叠在火箭内，展开和展开到棒球菱形的大小。
尽管WFIRST距离发射还有近10年的时间，但必须尽快做出决定，为“星影”号的会合做准备，因为“星影”号必须进行一些小的修改，以便与“星影”号同步穿越数万公里的太空。卡斯丁说:“我们把这称为‘准备好了星宿’。”“这不是WFIRST目前的设计，我们不能无限期地推迟这些变化……到明年，我们很有必要决定我们是否要让它做好准备。”
“星影科技计划”
但是到目前为止，NASA的高级官员已经对这样的任务表达了谨慎的态度。NASA科学任务理事会即将离任的副局长约翰·格伦斯菲尔德说:“原则上，添加一个遮光罩将使WFIRST能够比使用内部日冕仪更详细地成像和研究系外行星。”“然而，starshade技术仍处于起步阶段，所以在我们能与WFIRST一起建立一个starshade飞行任务之前，我们还有很长的路要走。”
资金是一个主要的障碍。WFIRST的预算是23亿美元，相对于NASA的大型太空望远镜来说，这一预算相对不足，因为其更有雄心但尚未发射的前身88亿美元的韦伯望远镜的成本增长过快。由于NASA的天体物理学部门正在为韦伯的发射做准备，并加大了WFIRST的工作力度，它目前的预算无法同时支持一个星罩的全力开发。
政治和时机是另一个障碍。NASA公开宣称的预算限制与该机构不愿单方面选择主要天体物理学任务相吻合。相反，NASA打算让美国天文学家通过2020年的下一次十年调查来规划自己的路线，在这次调查中，如果天文学家与WFIRST进行了天棚交会，那么他们就可以正式与众多其他可能的太空任务竞争优先权。美国国家航空航天局天体物理学部门主任保罗·赫兹说:“目前还没有在WFIRST上安装遮光罩的计划。”相反，他说，该机构正“处于一种‘不要先入为主’的模式。”不过，事实上，不排除“星罩”的可能性，类似于协调一致地建造和发射一个“星罩”。
当NASA在2月份宣布WFIRST的正式启动时，它也证实了该望远镜将被发射到距离地球150万公里的轨道上，那里的条件足够平静，可以让一个遮光罩不受干扰地工作。在许多较早的计划中，这次任务被设定在地球的高轨道上，在那里，阳光从我们的星球上反射回来，会破坏一个星罩的精细工作。今年1月，NASA成立了一个Starshade预备工作小组，以制定计划，验证Starshade的必要技术，以便及时与WFIRST会合。最后，上个月NASA正式将starshade指定为“技术开发活动”，这一举措将该机构所有不同的相关项目整合成一个更有凝聚力的整体。“在内部，我们称之为‘星影技术项目’，”尼克·西格勒说，他是美国宇航局外行星探索项目的首席技术专家，该项目位于喷气推进实验室。“我们的目标是在十年内使starshade的所有技术成熟，这样我们就可以满怀信心地提交这项十年期调查，以获得认可。”
高风险业务
尽管在政治上很谨慎，但NASA目前的计划是将决定“星之阴影”的首次会合推迟到2020年代，这一计划存在重大风险。几乎可以肯定的是，它将推迟任何“星影”的发射，直到WFIRST六年的主要任务结束之后。大多数NASA的航天器在完成主要任务后，会进入“延长”阶段，但任务结束后会发生事故或硬件故障。“作为一名科学家，我希望看到一种带着WFIRST主要任务的星影飞行，”麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)教授萨拉·西格(Sara Seager)说，她主持了NASA的星影会合研究，“因为我们不能保证WFIRST会在完成主要任务后继续存在。”她补充说，“开普勒任务有一个四年的主要任务，猜猜这个航天器持续了多长时间?”四年。我讨厌开发一个星罩，却没有第一次使用它。那么NASA会做什么呢——为我们建造另一个望远镜?这似乎不太可能。”
根据Siegler和其他人的说法，推迟星罩发展的另一个风险是，杏耀平台它可能会阻碍在WFIRST之后的几年甚至几十年计划建造一个概念太空望远镜，这个望远镜有一个8米甚至16米宽的巨大镜面。那将足够大到可以搜索和成像围绕着太阳的数千颗邻近恒星的地球——大到足以最终提供一个有统计意义的答案来回答我们是否在宇宙中是孤独的。就在上个月，NASA特许了两个团队来研究并推荐这类望远镜的可能设计方案，命令每个团队在2019年之前向NASA提交他们的研究成果，而这远早于10年一次的调查所决定的星际会合地点。“最大的问题是，这些研究将选择哪种星光抑制技术?””Siegler说。“你可能会认为日冕仪处于优势位置，因为它更容易建造和测试，
杏耀客服q3451-8577 ，你可能是对的。这是它已经基于WFIRST的一个原因。遮星罩可能是一个更好的选择，但它需要一个望远镜和一个独立的航天器，两者之间大约有5万公里。你究竟在哪里可以真正测试这样的东西?用纳税人的钱在已经在太空中的望远镜上测试一个遮光罩不是很好吗?”
在观测能力方面，这两种技术是互补的。就像望远镜上的另一种仪器一样，日冕仪可以灵活地在天空中的目标之间穿梭，在发现行星方面表现出色。相比之下，Starshades需要几天或几周的时间才能在目标之间漂移——但是它们用更好的宽带灵敏度弥补了它们的缓慢速度，这使得它们成为更详细研究行星的最佳选择。
美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的天体物理学家、该机构未来望远镜研究项目的首席科学家阿基·罗伯特说，找到另一个地球的正确途径可能是选择并使用这两种望远镜。“在一个完美的世界里，完美的任务可能有一个日冕仪和一个遮星罩。只要能保持两种选择都有可能，长远来看都是可取的。”
