美国宇航局最终回答了这个史诗般的问题我们是孤独的吗？

　　NASA最终选择了哪一个旗舰任务，像哈勃和JWST，将在2040年发射。探测外星生命现在是一个可以实现的目标。
　　图1
　　（图1）左图，来自DSCOVR-EPIC相机的地球图像。对，同样的图像降低到3 x 3像素的分辨率，类似于研究人员将看到的一旦可居住世界天文台，如果它按设计工作，直接成像最近的类地系外行星。如果我们要建造一个能够获得大约60-70微角秒分辨率的望远镜，我们就能够在半人马座阿尔法星的距离上，在这个水平上对一个类地行星进行成像。然而，即使只有一个像素，也可以收集到关于这样一个世界的大量科学信息:足以确定它是否有人居住。
　　关键要点
　　•也许所有天体物理学中最伟大的进步都来自美国宇航局的旗舰任务，这些任务给了我们哈勃和JWST等革命性的观点。
　　•下一个旗舰任务，南希·罗曼望远镜，已经在建造中，但正如天文2020十年委员会建议的那样，有四个方案可供选择。
　　•首要任务已经选定并正在设计中:美国宇航局的宜居世界天文台。目标不比寻找地球之外有人居住的行星更小。
　　有几个问题是人类一直在思考的，但在适当的科学进步出现之前，很难令人满意地回答。像这样的问题:
　　•宇宙是什么？
　　•它从哪里来的？
　　•怎么会变成这样？
　　•它的最终命运是什么？
　　这些问题自古以来就伴随着我们，然而，在20世纪和现在的21世纪，由于物理学和天文学的惊人进步，终于得到了全面的答案。然而，也许最大的问题是＂我们在宇宙中是孤独的吗？＂仍然是个谜。
　　虽然当代的地基和天基望远镜可以带我们深入宇宙，但这是一个我们目前无法解决的问题。为了达到这一目的，我们需要直接拍摄类似地球的系外行星:大小和温度与地球相似的行星，但它们围绕类似太阳的恒星运行，而不是更常见的红矮星，如比邻星或TRAPPIST-1。这些能力正是美国宇航局的目标，其最新宣布的旗舰任务是:可居住世界天文台。这是一个雄心勃勃的项目，但非常值得。毕竟，发现我们在宇宙中并不孤独很可能是所有科学史上最大的革命。
　　图2
　　（图2）这个动画显示了四颗超级木星行星在围绕恒星的轨道上直接成像，它们的光被一个日冕仪阻挡，称为HR 8799。这里展示的四颗系外行星是最容易直接成像的，因为它们体积大，亮度高，并且与母星相距甚远。对一颗地球大小的行星进行成像是一个更大的挑战，它的轨道距离一颗类似太阳的恒星仅约1天文单位:2023年运行的所有天文台都没有能力探测到它。
　　今天，在2023年，我们主要通过三种方式寻找外星生命。
　　1.我们正在探索太阳系中的世界，包括火星、金星、土卫六、欧罗巴和冥王星，通过飞越任务、轨道飞行器、着陆器甚至漫游者，远程搜索过去甚至现在简单生命的证据。
　　2.我们正在检查系外行星，根据可观察到的颜色、季节变化和大气成分的特征，从表面到大气层以及更远的地方，寻找行星上存在生命的证据。
　　3.通过寻找任何可能揭示智慧外星人存在的信号:通过像SETI和突破聆听这样的努力。
　　这三种方法各有利弊，但大多数科学家认为第二种方法最有可能带来第一次成功。
　　如果生命需要类似地球上的条件，我们很可能是太阳系中唯一一个生命发展、生存和繁荣的世界。如果附近没有智能的、积极传播的文明，SETI不会带来任何积极的结果。但是，如果即使一小部分具有类似地球属性的世界上有生命存在，系外行星研究也可以取得成功，而其他两种选择则不会。我们对系外行星的研究已经取得了很大进展:我们在银河系中有超过5000颗已知的、已确认的系外行星，我们知道大多数已确认世界的质量、半径和轨道周期。
　　图3
　　（图3）虽然已知超过5000颗已确认的系外行星，其中一半以上是由开普勒发现的，但在我们的太阳系中没有发现真正类似的行星。木星类似物、地球类似物和水星类似物都仍然是当前技术难以捉摸的。
　　不幸的是，这不足以告诉我们这些星球中是否有人居住。为了做出这样的决定，我们需要更多的东西。我们需要知道这样的事情:
　　•系外行星有大气层吗？
　　•它有云、降水和天气循环吗？
　　•它的大陆会像在地球上一样，随着季节的变化变成绿色和棕色吗？
　　•它的大气中是否有暗示生物活动的气体或气体组合，它们是否像地球的二氧化碳水平一样显示出季节性变化？
　　如今，进行这些测量的最前沿是天基JWST望远镜和地基10米级望远镜，它们进行直接系外行星成像和凌日光谱学。
　　不幸的是，这种技术不足以达到我们的目标，即测量地球大小的行星在类似太阳的恒星周围的类似地球的轨道上的特性。对于直接成像研究，我们可以拍摄木星大小的行星的照片，这些行星距离太阳的距离超过土星的距离:对于气态巨行星来说是好的，但对于寻找岩石行星上的生命来说就不那么好了。对于过境光谱学，我们可以看到穿过红矮星周围超级地球大小的世界的大气层的光，但类太阳恒星周围地球大小的行星远远超出了当前技术的范围。
　　图4
　　（图4）当星光穿过凌日系外行星的大气层时，信号就会被印上。根据发射和吸收特征的波长和强度，可以通过凌日光谱学技术揭示系外行星大气中是否存在各种原子和分子物种。JWST无法获得围绕类太阳恒星的地球大小的行星的光谱，但可居住世界天文台最终会。
　　这是一个充满希望的开始，但如果我们希望最终成功找到并描述一颗有人居住的行星，我们需要在此基础上继续努力。目前，我们正在建造下一代地面望远镜，开创30米级望远镜的时代GMTO和英语教学，并期待着美国宇航局的下一个天体物理学旗舰任务:南希·罗曼望远镜，它将具有与哈勃相同的能力，但具有更高级的仪器，视野是哈勃的50-100倍，以及一个日冕仪，允许我们对其母星的强光下的行星进行成像，这些光比JWST能看到的弱约1000倍。
　　然而，即使有了这些进展，我们也只能在最近的红矮星周围找到地球大小的行星，在类似太阳的恒星周围找到超级地球或迷你海王星大小的行星。为了拍摄一颗真正的类地行星，需要一个性能更强的改进型天文台。
　　值得庆幸的是，我们的技术没有停滞不前，我们发现和探索的愿景也没有停滞不前。每十年，美国国家科学院都会聚在一起概述天文学和天体物理学的最高优先级，并作为十年调查的一部分提出建议。提出了四个旗舰飞行任务:
　　1.猞猁这是下一代X射线天文台，鉴于欧空局即将开展的雅典娜任务范围缩小，这一点尤为重要。
　　2.起源下一代远红外天文台，填补了我们对宇宙波长覆盖的巨大空白，
　　3.HabEx这是一台单镜望远镜，设计用来直接拍摄最近的类地行星，
　　4.和卢瓦尔，这是一个雄心勃勃的巨型分段望远镜，将成为一个多用途的天文＂梦想＂天文台。
　　图5
　　（图5）理想情况下，介于HabEx和LUVOIR(如图所示)之间的新太空望远镜将足够大，可以直接对大量类似地球的系外行星进行成像，同时仍具有所需的属性，以保持预算，并且不需要开发全新的、未经测试的技术。
　　虽然建议最终建造所有四个，但最优先的任务是HabEx的放大版本，考虑到HabEx和LUVOIR的特征，以形成可居住世界天文台。在许多方面，建议的规范准确地击中了当前技术的可行性、已知未知的发现潜力和成本效益之间的＂最佳点＂，并结合了从建造和发射JWST所经历的问题中吸取的经验教训。
　　目前提出的规范非常令人鼓舞，包括:
　　•一种分段光学反射镜设计，类似于JWST已经在使用的，
　　•目前正在为罗马望远镜开发和测试的同类型日冕仪技术，
　　•最新的传感器可以控制各种镜段以实现皮米级的稳定性，
　　•计划与将在21世纪30年代末/21世纪40年代初飞行的下一代火箭兼容，
　　•计划在距离地球约150万公里的L2拉格朗日点对部件进行机器人维修，
　　•在开发/建设阶段之前，没有完全成熟的全新技术。
　　这是非常令人鼓舞的，因为它提出了一个可实现的计划，特别是不容易受到延迟和超支的影响，主要是因为需要开发全新的技术，这些技术在发射前困扰了JWST多年。
　　图6
　　（图6）探测真正的类地行星的大气层并确定其特征的前景是可以实现的，即在其恒星的可居住区内的地球大小的行星，包括红矮星和更像太阳的恒星。有了下一代日冕仪，一个大型的紫外-光学-红外任务可以发现几十个，甚至几百个地球大小的世界进行测量。
　　有了这些能力，可居住世界天文台将有一个绝佳的机会到达天文学的圣杯:第一次向人类展示一个真正有人居住的星球。它的设计直径在6.0到6.5米之间，大小与JWST相当，应该能够直接对距离地球大约14光年的所有恒星周围的地球大小的行星进行成像。在这个游戏中，每一点额外的直径都很重要，因为如果你可以将你可以看到的行星的半径增加一倍，你就可以将搜索量和预期的物体数量增加八倍。在太阳附近，有:
　　•九星系统在10光年内地球的，
　　•地球12光年内的22个星系，
　　•地球15光年内的40个星系，
　　•和20光年内的95个星系地球的。
　　按照计划的设计，大约有20到30颗类地行星可以被可居住世界天文台直接拍摄到。如果在一个类似地球的世界上存在生命的几率只有百分之几，那么这个任务将会发现太阳系之外第一个有人居住的星球。也许，如果大自然是仁慈的，我们甚至会发现不止一个。
　　图7
　　（图7）这张图片显示了太阳系以外最近的恒星系统的位置，以太阳为中心。如果你能把半径扩大一倍，达到你能看到和测量的范围，你就包含了八倍的体积，这就是为什么看得更远一点点的能力会大大增加你发现非凡事物的机会，即使它是你正在寻找的一种罕见的系统。
　　因为我们已经经历了开发许多先驱技术的痛苦，包括JWST使用的5层遮阳罩，JWST使用的折叠/分段镜设计，以及罗马日冕仪中使用的可变形镜(目前正在用PICTURE-C进行测试，这是一个气球载实验)，不应该有任何全新或新奇的东西像JWST一样绊倒可居住世界天文台。
　　然而，所有新的发展都伴随着风险。机器人服务的想法令人鼓舞，因为我们以前做过机器人服务，但只是在近地轨道上。在距离L2 150万公里的地方，即使以光速发送的指令也有10秒的往返延迟。维修将需要火箭技术和目前尚不存在的自动化机器人技术。
　　要实现皮米级的镜面对准是一项技术挑战，它需要的技术进步远远超过目前可实现的纳米级对准。尽管这仅需要对现有技术进行渐进式改进，但需要投入大量资源，目前正作为设计和预设计阶段固有的＂技术成熟＂过程的一部分投入。
　　一个大的担心是，目前设计的罗马日冕仪是否适合可居住世界天文台，这个担心还没有引起人们的注意。JWST日冕仪的表现完全符合预期，使我们能够发现和成像那些亮度只有其母星十万分之一的行星。南希·罗曼望远镜预计将比JWST望远镜提高1000倍，因为他们的可变形日冕镜正在进行优化，以处理从完美的圆形日冕形状出现的干涉图案和杂散光。
　　然而，有一个问题:南希·罗曼望远镜的日冕仪比JWST的表现好得多的原因之一是，JWST有一个分段设计的瓷砖反射镜，而南希·罗曼望远镜将有一个单一的圆形单片反射镜。JWST镜的形状是它在所有恒星和亮点光源周围具有＂雪花状＂衍射图案的原因:这只是其光学几何的数学结果。
　　图8
　　（图8）詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的点扩散函数，正如在2007年的一份文件中预测的那样。六边形(非圆形)主镜的四个因素由一组18个平铺的六边形组成，每个六边形之间的间隙约为4毫米，并有三个支柱将次镜固定在适当的位置，所有这些因素共同作用，在JWST成像的亮点源周围不可避免地出现一系列尖峰。这种图案被许多JWST仪器科学家亲切地称为＂噩梦雪花＂。
　　但是日冕仪本质上是圆形的，不能轻易地＂消除＂从任何锐边引入的杂散光，包括:
　　六边形衍射，
　　镜子外边缘上的＂拐角＂，
　　以及各部分之间毫米大小的＂间隙＂。
　　由于与JWST类似的设计，这似乎是可居住世界天文台要考虑的一个非常大的问题，特别是因为它需要日冕仪在1/10，000，000，000的水平上成功成像类太阳恒星周围的类地球世界:这是比罗马日冕仪好100倍的另一个因素。
　　图9
　　（图9）展示了太空望远镜与恒星遮光罩对齐的几何形状，这种技术用于阻挡星光，以揭示围绕该恒星运行的行星的存在。在数万公里之外，星际遮光罩和望远镜必须实现并保持完美的对准，才能对系外行星进行直接成像。与日冕仪相比，恒星遮光器的光学性能更好，但在任何给定的时间内，能够探测的恒星系统要少得多。
　　一个潜在的解决方案是与可居住世界天文台一起发射一个恒星遮光罩，甚至在事后，在恒星的光到达可居住世界天文台的主镜之前将其阻挡。尽管这在技术上是可行的，但它既昂贵又有效；每当它想要转换目标时，它必须相对于天文台移动大约80，000公里。总的来说，它可能每年帮助映像一个或两个系统，但这是上限。
　　也许应该考虑的一个大胆的解决方案不是建立一个传统的分段镜，而是一系列的圆圈，类似于正在建造的巨型麦哲伦望远镜的光学设置。它有7个完美的圆形，而不是18+平铺的六边形，它的聚光能力是所有7个圆形面积的总和，但分辨率是安装主镜的直径。采用这种设计:
　　•消除了JWST式设计的所有杂散光问题，
　　•仍然可以利用已经开发的可折叠主镜技术，
　　•跨镜段开发的皮米级稳定性技术仍然适用
　　•代替单个次镜和/或单个日冕仪，七个片段中的每一个都可以得到它们自己的，
　　此外，不需要电线穿过主镜光学系统，因为副镜可以用电线固定在圆形部分的间隙中:这是为什么巨型麦哲伦望远镜将是第一个没有衍射尖峰的世界级天文台在它的星星上。
　　图10
　　（图10）25米的巨型麦哲伦望远镜目前正在建设中，它将是地球上最大的新型地基天文台。蜘蛛臂，如图所示，将副镜固定在适当的位置，经过特殊设计，使它们的视线直接落在GMT镜的狭窄间隙之间，创造出一个没有镜子尖角或恒星周围衍射尖峰的宇宙视图。如果应用于即将到来的可居住世界天文台，这个设计可能是革命性的。
　　通过正确的设计和实施，我们可以看到一个可居住的世界天文台：
　　•最早将于21世纪30年代末/21世纪40年代初发射，
　　•既符合预算又准时，
　　•它拥有必要的结构来实现它的观测目标，而不需要一个遮光罩，
　　•完全可以补充燃料，仪器完全可以维修和更换，
　　•在未来的任何时候都可以加上一个星罩，
　　•这很可能拍摄到足够多的＂类地＂行星，以发现至少一颗(甚至可能不止一颗)确实有人居住的系外行星。
　　设计这台望远镜需要考虑的一个大问题是，在它能直接成像多少个类地候选者与这台望远镜的体积和成本之间进行权衡。虽然6至7米的范围似乎是最佳选择，但噩梦般的场景是，我们建造的这个天文台太小了，而且成本保守，无法找到我们最终寻找的东西:有人居住的外星星球。
　　我们必须记住，在寻找地球以外的生命时，我们是在玩一场未知几率的彩票。我们所拍摄和描绘的每一颗类地行星都代表了一张彩票:一张彩票，其中所有奖项的概率都是未知的。我们成功的机会完全取决于哪张票是赢家，以及我们是否买了足够多的票。难的是，在可居住世界天文台的发现出来之前，我们不会知道这些几率实际上有什么有意义的限制，所以这取决于我们，以这样一种方式建造它，我们至少有一次成功的几率尽可能大。如果我们做到了，我们可能最终会知道＂我们在宇宙中是孤独的吗？＂只是也许，我们会确定答案是，＂不，还有其他人。＂