系外行星探索中的新技術

劉艷

噴氣推進實驗室技術開發部的馬庫斯·里特說：“搜尋地外生命是我們這一代人的‘阿波羅計劃。”

為了在遙遠的世界中找到生命跡象，科學家必須時刻盯著廣闊太空，在探照燈似的母星的眩光中尋找螢火蟲般的微小行星之光。

在探索的新時代，科學家面臨巨大的技術挑戰：我們只有在這些探照燈似的恒星光線變暗時才能看見行星；空間望遠鏡必須幾乎完美地鎖定目標；探測器也必須足夠靈敏，以收集星際旅程中所剩不多的隱隱約約的光痕。如果我們期望有一天可以拍到另外一個多云、富含水并且可居住的星球的照片，望遠鏡設計師就必須有遠大的目標。

降低亮度

美國航空航天局噴氣推進實驗室的工作焦點是減弱恒星亮度來捕捉行星瞬間。工程師和天體物理學家正在建造并測試兩種極其不同但功能相同的技術。給人視覺印象最為深刻的是一個巨大的機械“向日葵”，棒球場內場大小，被稱為遮星板，能在太空展開它的“花瓣”， 以阻擋目標恒星的光。

在其背后會布置一架空間望遠鏡，拉開一定距離，幾乎和其同步。遮星板錯綜復雜的模式不僅僅是為了阻擋星體主盤，每個“花瓣”就像一個個盡職的守門員，防止周圍光子（遮星板邊緣的光子泄漏），消除盡可能多的雜散光。這樣就可以使以前看不見的行星從背景中出現，望遠鏡便可捕捉到其環繞恒星運行軌道上的圖像。

第二項技術沒有遮星板那么有魅力，但也稱得上是工程奇跡，那便是安裝在望遠鏡中相對較小的設備——日冕儀。它由三大部分組成：用來阻擋大部分星光的中央大盤、結構像家用管道固定裝置中墊圈的第二個光阻擋器，以及裝有機械活塞的鏡子。

面罩和墊圈清除了望遠鏡黑色顯示屏幕的許多星光。然而，光敏感性提高的同時，會出現令人難堪的現象：光斑像一團螢火蟲聚集在屏幕中心。這是望遠鏡光學缺陷的產物，是設計人員必須解決的難題。

這時可使用柔性鏡。小活塞使鏡子變形，精確匹配光點，并消除光線。與此同時，與其他星體相比，行星光線以較小角度進入望遠鏡后，反彈、繞過面罩、穿過墊圈中心。隨著光斑褪色，昏暗的行星慢慢地進入視野。

靜止不動

為了有望獲得這種遙遠的系外行星的清晰圖像（有些行星甚至距地球數百光年之遠），空間望遠鏡不僅要抑制自身抖動，還要阻擋入射光的抖動。波前光線被望遠鏡光學元件略微扭曲，須借助變形鏡進行校正。這樣就可以發現隱藏的系外行星，獲得更清晰的圖像。

望遠鏡也必須進行強大的自控檢查。特別是對未來任務中的大型多鏡陣列來說，振動必須達到絕對最小值。這聽起來更難，因為機械部件需經過旋轉和磨削，在加熱和冷卻時金屬會膨脹和收縮，可導致無緩沖的柔光也被抵消。標準的衛星技術，如反應輪和陀螺儀（有助于指向航天器），也會引起必須克服的微小抖動。美國航空航天局的工程師說，將微型推進器與這些更常見的運動控制技術結合使用，可以穩定未來的航天器。

靈敏度訓練

為了對外星生命跡象進行采樣，天文臺需要非常敏感的光探測器，靈敏到可以逐一測量長途旅行的光子。盡管很少有來自系外行星的光子進行這樣的旅行，但是，一旦有一天獲取其可能攜帶植物、動物甚至污染物的線索，便都是外星文明的可能跡象。

通過行星的光線是一個真正的光譜（就像你喜歡的彩虹顏色），其可以被地球分解和分散。這種被稱為光譜學的技術，使我們能夠識別存在于遙遠星球中的氣體，因為行星反射光可以被這些吸收不同波長（或顏色）光的各種氣體攔截。因此，研究行星光譜中的缺失帶，就可以讓我們知道哪些氣體存在于其大氣中：甲烷、二氧化碳，甚至可能有氧氣。

為了達到這種靈敏度，工程師必須發送一個用于太空飛行的專用超低噪聲探測器。目前，工程師正在研發設計可以放大遙遠系外行星微弱光電子信號的儀器，即使只是一個單獨光子流，這一儀器也能夠放大電子信號，克服可能會掩蓋行星信號的亞原子噪音。

我們需要一個更大的望遠鏡

提及空間望遠鏡，自然鏡面越大越好。天文學家稱之為角度分辨率，意味著望遠鏡的鏡面越大，可以觀測的恒星與行星之間的距離就越大，從而使行星更容易看清。用地面望遠鏡捕獲這類圖像是不太可能的，因為地球大氣中的分子運動使我們無法獲取足夠穩定的圖像。

但是，將一個巨大的單鏡發射到太空也是不太可能的。相反，可以很好地包裝鏡像陣，將其通過火箭運送至太空后，展開即成為蜂窩狀大型盤狀陣列。計劃于2018年年初發射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡使用的就是這種設計。

在未來的幾十年，天文學家可能考慮發射多個望遠鏡，通過遠程通信將其連接起來，形成鎖定狀態。另外一種方法是“歸零干涉測量”：望遠鏡收集星光，并使用多個信號相互抵消，使星體閃爍，顯示隱藏的行星。

這種進步所需的極高精度使它們成為一個艱巨的技術挑戰。當然，曾經有關于美國航空航天局開普勒空間望遠鏡的報道，稱其將星體旁邊搜尋到的小漣漪作為系外行星存在的證據。評論家最初認為這是不可能的。而現在，在它發射8年之后，天文學家已經在我們周圍星系中發現了數千個系外行星和候選系外行星。

即將到來的技術創新將為尋找地球之外的生命開辟新篇章。在開普勒空間望遠鏡進行銀河系普查之后，我們會發現一個充滿“淡藍色圓點”的星系，為人類探索宇宙的漫長孤獨之旅畫上一個句號。