詹姆斯·韦伯太空望远镜之后会是什么？一些天文学家想要生命。

作为有史以来人类向宇宙发射的最大、最复杂的装置，詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 去年发射时让天文学家们大吃一惊。该望远镜具有前所未有的灵敏度，可以深入漆黑的宇宙并分辨遥远的物体。但下一代更远距离望远镜可能不一定要超过 JWST 的重量才能超越它的视野。

俄亥俄州立大学天文学家、系外行星猎人斯科特·高迪说：“如果你想获得更好的角分辨率，那么要么你必须建造越来越大的望远镜，要么你必须切换到干涉测量法。”

零点干涉测量法是一种观测技术，通过混合来自同一目标的多个同时视图的光来收集有关天体的数据。零点干涉是指如何将这些光组合起来以阻挡来自物体（例如恒星）的压倒性背景，以增强来自更暗目标（例如沐浴在恒星眩光下的绕行行星）的信号。该技术解决了系外行星观测中最棘手的挑战之一：对比度问题。与其他竞争技术相比，零点干涉测量法可能是将星光减弱一百亿倍或更多的最佳候选者——足以揭示地球大小的行星潜伏的存在。而这些岩石天体是外星生命的主要候选者。

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为了提高灵敏度和分辨率，每个光收集器需要相隔数百米。创新之处在于：与其部署一个装有多个探测器的笨重装置，不如移除收集器之间死区中的任何桥接支柱，并依靠编队飞行。自主编队飞行器的优势非常明显——这些探测器可以向外或向内移动以瞄准不同的目标，还可以旋转并围绕中央收集器旋转以调节它们接收到的天文信号。

“干涉测量法不断出现——一次又一次，”高迪说。“我认为它在未来很有发展前景。”

虽然在未来几十年内不会部署空间零干涉仪，但瑞士苏黎世联邦理工学院天体物理学家 Sascha Quanz 领导的一项努力正在推动零干涉仪从绘图板变为现实。他所倡导的任务毫不掩饰其目的：LIFE，也是大型系外行星干涉仪的缩写，将在宇宙中搜寻类似地球且可能适合居住的系外行星。他的团队提议的红外天文台需要五艘独立的航天器同步飞行，以达到主镜宽 1,970 英尺的望远镜的分辨率。（相比之下，世界上最大的太空天文台 JWST 的主镜宽 21 英尺。）去年，欧洲航天局 (ESA) 将系外行星搜寻选为其未来几十年的三大任务主题之一，而 LIFE 可能是实现这一目标的主要竞争者。 LIFE 的概念正在逐渐兴起，但这并不是太空零干涉测量法第一次引起人们的兴趣——几十年前，这个想法因技术和资金障碍而受挫，导致地外零干涉测量法实际上不可行。此后的几十年里，技术进步使零干涉测量法比以往任何时候都更接近现实。LIFE 可能是完成零干涉测量法救赎故事的任务。

生命的起源

21 世纪之前，系外行星的发现非常少，因为人类根本没有工具去寻找它们。但这并不是因为缺乏尝试——科学家们提出了一些系外行星猎人的想法，这些想法在当时被认为过于雄心勃勃。

零点干涉测量法最早由斯坦福大学电气工程师罗纳德·布雷斯韦尔于 1978 年提出。后来，NASA 和 ESA 分别于 2002 年和 1993 年批准了类地行星探测器干涉仪 (TPFI) 和达尔文任务，并各自采纳了这一概念。令科学界懊恼的是，由于预算限制，TPFI 于 2007 年被取消。同年，ESA 取消了达尔文任务。在这两项任务中，当时的技术和系外行星知识显然不足以证明巨额的财务成本是合理的。两个航天局都搁置了这些想法，将它们作为没有前途的项目抛入历史的尘埃深处。

当时，寻找系外行星是一项冒险的事业。如果没有太多新世界可供探索，那么投资空间零干涉测量法等激进的新技术可能就不值得了。

但当一个新行星开普勒出现后，一切都改变了。

这架精巧的太空望远镜使用一种名为“凌日”的方法来寻找隐蔽的系外行星。它盯着一颗恒星看的时间足够长，让一颗系外行星围绕它运行数圈；星光中周期性的光点会暗示可能有一颗系外行星在恒星前方凌日——本质上是抢镜。为了实施凌日法，这架坚定的观星仪在其鼎盛时期一直观测着同一片天空。

开普勒于 2009 年首次启动，并于一年后发现了第一颗此前未知的系外行星。在开普勒首次亮相之前的十年中，已经发现了数百颗系外行星。然而，这个数量太少，科学家无法知道系外行星（更不用说宜居行星）是常见的还是罕见的——直到开普勒任务引发了系外行星发现的淘金热。科学家们意识到，星系中散布的恒星越多，宇宙中的系外行星就越多。在目前已知的 5,000 多颗系外行星中，开普勒在它默默守护夜空的九年里发现了其中一半以上。

尽管开普勒望远镜的观测效率很高，但凌日技术也有其局限性：它本质上是一场漫长的等待，等待系外行星完成绕恒星的多次往返。因此，坚定的观星者只能一次盯着同一片​​天空几年。夸茨说，想象一下，如果人类拥有一座可以观测整个宇宙并实时追踪系外行星而不必等待它们完成轨道运行的天文台，科学家们可以发现多少系外行星。

夸茨和他的团队利用开普勒望远镜的统计数据，模拟了像 LIFE 这样可以直接探测系外行星的假设任务的回报率。“我们只是想得到初步感受，”夸茨说，“答案令人难以置信。”他回忆起在 2017 年左右的一次晚餐上与比他资历更资深的资深研究人员交流了他的早期计算结果。他问他们，猜猜 DARWIN 能发现多少颗系外行星。夸茨记得，一位教授随意地回答了 12 这个数字。夸茨告诉听众，在不到一年的时间内，像 LIFE 这样的任务可以确定 300 多颗系外行星，这让听众们大吃一惊。

“知道这项任务能带来什么，我感到很兴奋，”Quanz 说。自 TPFI 和达尔文以来的几年里，技术已经发展到太空零干涉测量不再是不可想象的地步。相反，像 LIFE 这样的计划正在朝着可行的方向发展。“我只是对这个想法着迷，”Quanz 补充道。

重新构想的飞行太空望远镜

美国宇航局天体物理学家伯特兰·门内森 (Bertrand Mennesson) 表示，如果零干涉测量法最终成为太空探索的下一个重大难题，那将是因为像 Quanz 这样年轻而坚定的头脑。门内森本人曾是 TPFI 的科学家之一，后来他被调到其他项目。“有新人关注这个问题，也许能得出新的结论，这很好，”他补充道。其中一个例子就是这项技术是否一开始就合理可行。下一步将需要召集不同的太空团队，组装一个工作原型，并争取大量资金。

待办事项清单中最重要的一项是演示自主航天器之间的编队飞行。 LIFE 将由四艘独立的收集航天器组成，它们收集来自背对恒星的系外行星的红外信号，然后将辐射重新定向到中央探测器。 为了使 LIFE 正常工作，科学家需要准备好推进系统、航天器间通信，以及保持其工作波长精度的能力。 这些自主红外收集器将相隔数千英尺，与目标位置的偏差最多只能是人类头发宽度的十分之一。

近年来，小型卫星和集群技术的兴起对于编队飞行至关重要，这将为 LIFE（即零干涉测量）注入新的活力。低地球轨道上的小型卫星和立方体卫星是首次进行编队飞行的合适原型平台。少数轨道编队飞行器已部署在地球附近，不久的将来还将部署更多，作为试验台，以完善该技术的各个方面。这些渐进的步骤将证明未来几十年编队飞行的可行性。

LIFE 面临的另一个挑战是将当前的红外技术格局逐渐缩小。幸运的是，詹姆斯·韦伯太空望远镜的开发加速了中红外光学的发展，新项目最终将利用这种光学技术。红外线是行星探测干涉仪的首选光波长，因为行星大气中的许多化学物质都会吸收这种波长的光。LIFE 不仅将具有更高的灵敏度，可以首先发现新的宜居行星，而且还可能实现其名称所称的——让科学家能够更详细地研究行星表面的潜在生物特征，例如甲烷和二氧化碳。

与此同时，科学家们在等待空中红外干涉仪的同时，也在努力开发和充分利用地面红外干涉仪。这种解决方案可以避免编队飞行，因为单个望远镜在地面上更容易移动。（在智利的甚大望远镜干涉仪上，其四个组成辅助望远镜中的每一个都可以放在卡车上运送。）然而，这些望远镜必须与红外天文学的克星——大气层抗衡，大气层会吸收来自天空的辐射。澳大利亚悉尼大学的天体物理学家巴纳比·诺里斯说，空气中的湍流也会模糊这些微弱的外星读数——这就像从游泳池底部仰望和观察外面的世界一样。

使命的新希望

尽管空间零点干涉测量法似乎是不可避免的，但航天机构迄今为止尚未制定出具体的实施计划。

零干涉测量法并非欧空局已确认的任务之一，欧空局也没有拨出资金专门用于开发该技术。欧空局科学主任冈瑟·哈辛格 (Günther Hasinger) 表示：“目前，它还不在我们的近期议程上，”至少在 2050 年之前不会。“现在将这项技术应用于太空实在是太困难了。”

在大西洋彼岸，NASA 正在积极寻求替代性的星光阻挡技术，这些技术实际上更简单，但更适合波长稍短的星光。Mennesson 表示，这些技术不一定能取代零干涉测量法，但可以在寻找外星生命时对后者进行补充。

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然而，通过集中精力于中红外波长，消除干涉测量法分辨遥远类地行星的能力是其他系外行星探索方法无法填补的空白。

“显然，这项技术还有很多工作要做，”诺里斯说，“但我认为没有什么是无法克服的。”

夸茨表示，他将探索一切途径，例如获得航天机构的批准或与私人实体的合作，以使 LIFE 成为现实。

他的灵感来自于 LIFE 计划的发起人：威廉·博鲁茨基，他是加利福尼亚州 NASA 艾姆斯研究中心的退休太空科学家，也是开普勒任务的首席研究员。人们可能很难想象，开普勒是人类迄今为止最具革命性的系外行星猎手，但它的起步却很艰难：自 20 世纪 90 年代初以来，NASA 曾四次拒绝了这项任务，直到近 20 年后才最终部署。

夸茨记得在 2014 年葡萄牙卡斯卡伊斯举行的一次会议上，博鲁茨基给了他这样的建议：“如果你真的相信某件事……你就必须坚持下去，并让它成为现实。” 继承这一众星云集的传统，LIFE 将继承前辈的事业，飞向天空。