系外行星探索中的新技术

刘艳

喷气推进实验室技术开发部的马库斯·里特说：“搜寻地外生命是我们这一代人的‘阿波罗计划。”

为了在遥远的世界中找到生命迹象，科学家必须时刻盯着广阔太空，在探照灯似的母星的眩光中寻找萤火虫般的微小行星之光。

在探索的新时代，科学家面临巨大的技术挑战：我们只有在这些探照灯似的恒星光线变暗时才能看见行星；空间望远镜必须几乎完美地锁定目标；探测器也必须足够灵敏，以收集星际旅程中所剩不多的隐隐约约的光痕。如果我们期望有一天可以拍到另外一个多云、富含水并且可居住的星球的照片，望远镜设计师就必须有远大的目标。

降低亮度

美国航空航天局喷气推进实验室的工作焦点是减弱恒星亮度来捕捉行星瞬间。工程师和天体物理学家正在建造并测试两种极其不同但功能相同的技术。给人视觉印象最为深刻的是一个巨大的机械“向日葵”，棒球场内场大小，被称为遮星板，能在太空展开它的“花瓣”， 以阻挡目标恒星的光。

在其背后会布置一架空间望远镜，拉开一定距离，几乎和其同步。遮星板错综复杂的模式不仅仅是为了阻挡星体主盘，每个“花瓣”就像一个个尽职的守门员，防止周围光子（遮星板边缘的光子泄漏），消除尽可能多的杂散光。这样就可以使以前看不见的行星从背景中出现，望远镜便可捕捉到其环绕恒星运行轨道上的图像。

第二项技术没有遮星板那么有魅力，但也称得上是工程奇迹，那便是安装在望远镜中相对较小的设备——日冕仪。它由三大部分组成：用来阻挡大部分星光的中央大盘、结构像家用管道固定装置中垫圈的第二个光阻挡器，以及装有机械活塞的镜子。

面罩和垫圈清除了望远镜黑色显示屏幕的许多星光。然而，光敏感性提高的同时，会出现令人难堪的现象：光斑像一团萤火虫聚集在屏幕中心。这是望远镜光学缺陷的产物，是设计人员必须解决的难题。

这时可使用柔性镜。小活塞使镜子变形，精确匹配光点，并消除光线。与此同时，与其他星体相比，行星光线以较小角度进入望远镜后，反弹、绕过面罩、穿过垫圈中心。随着光斑褪色，昏暗的行星慢慢地进入视野。

静止不动

为了有望获得这种遥远的系外行星的清晰图像（有些行星甚至距地球数百光年之远），空间望远镜不仅要抑制自身抖动，还要阻挡入射光的抖动。波前光线被望远镜光学元件略微扭曲，须借助变形镜进行校正。这样就可以发现隐藏的系外行星，获得更清晰的图像。

望远镜也必须进行强大的自控检查。特别是对未来任务中的大型多镜阵列来说，振动必须达到绝对最小值。这听起来更难，因为机械部件需经过旋转和磨削，在加热和冷却时金属会膨胀和收缩，可导致无缓冲的柔光也被抵消。标准的卫星技术，如反应轮和陀螺仪（有助于指向航天器），也会引起必须克服的微小抖动。美国航空航天局的工程师说，将微型推进器与这些更常见的运动控制技术结合使用，可以稳定未来的航天器。

灵敏度训练

为了对外星生命迹象进行采样，天文台需要非常敏感的光探测器，灵敏到可以逐一测量长途旅行的光子。尽管很少有来自系外行星的光子进行这样的旅行，但是，一旦有一天获取其可能携带植物、动物甚至污染物的线索，便都是外星文明的可能迹象。

通过行星的光线是一个真正的光谱（就像你喜欢的彩虹颜色），其可以被地球分解和分散。这种被称为光谱学的技术，使我们能够识别存在于遥远星球中的气体，因为行星反射光可以被这些吸收不同波长（或颜色）光的各种气体拦截。因此，研究行星光谱中的缺失带，就可以让我们知道哪些气体存在于其大气中：甲烷、二氧化碳，甚至可能有氧气。

为了达到这种灵敏度，工程师必须发送一个用于太空飞行的专用超低噪声探测器。目前，工程师正在研发设计可以放大遥远系外行星微弱光电子信号的仪器，即使只是一个单独光子流，这一仪器也能够放大电子信号，克服可能会掩盖行星信号的亚原子噪音。

我们需要一个更大的望远镜

提及空间望远镜，自然镜面越大越好。天文学家称之为角度分辨率，意味着望远镜的镜面越大，可以观测的恒星与行星之间的距离就越大，从而使行星更容易看清。用地面望远镜捕获这类图像是不太可能的，因为地球大气中的分子运动使我们无法获取足够稳定的图像。

但是，将一个巨大的单镜发射到太空也是不太可能的。相反，可以很好地包装镜像阵，将其通过火箭运送至太空后，展开即成为蜂窝状大型盘状阵列。计划于2018年年初发射升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜使用的就是这种设计。

在未来的几十年，天文学家可能考虑发射多个望远镜，通过远程通信将其连接起来，形成锁定状态。另外一种方法是“归零干涉测量”：望遠镜收集星光，并使用多个信号相互抵消，使星体闪烁，显示隐藏的行星。

这种进步所需的极高精度使它们成为一个艰巨的技术挑战。当然，曾经有关于美国航空航天局开普勒空间望远镜的报道，称其将星体旁边搜寻到的小涟漪作为系外行星存在的证据。评论家最初认为这是不可能的。而现在，在它发射8年之后，天文学家已经在我们周围星系中发现了数千个系外行星和候选系外行星。

即将到来的技术创新将为寻找地球之外的生命开辟新篇章。在开普勒空间望远镜进行银河系普查之后，我们会发现一个充满“淡蓝色圆点”的星系，为人类探索宇宙的漫长孤独之旅画上一个句号。