系外行星探索中的新技術

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恆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雲、富含水並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。

美國航空航天局噴氣推進實驗室光學工程師卡米洛·梅吉亞·普拉達用燈光照亮了實驗台上的日冕儀，這台儀器將和大視場紅外巡天望遠鏡一起飛入太空。工程師正在測試鏡片（右側安裝的成列小磁碟）和可變形鏡（鋼筆標記的大磁碟），這些鏡片將成為日冕儀的一部分。日冕儀內含的望遠鏡阻擋了星體散射光，使得周圍的行星可以直接成像。

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恆星亮度來捕捉行星瞬間。工程師和天體物理學家正在建造並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」，以阻擋目標恆星的光。

在其背後會布置一架空間望遠鏡，拉開一定距離，幾乎和其同步。遮星板錯綜複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），消除儘可能多的雜散光。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恆星運行軌道上的圖像。

第二項技術沒有遮星板那麼有魅力，但也稱得上是工程奇蹟，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。

面罩和墊圈清除瞭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，並消除光線。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後，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。

噴氣推進實驗室的遮星板實驗室。從左上方順時針旋轉：1/2比例的遮星板配置中的金色「花瓣」（展開為17米）；一個2米橙色光學屏蔽內圓盤原型；1/2比例遮星板「花瓣」（5米長）；放在實驗台上的2米摺紙原型；由噴氣推進實驗室機電一體化工程師大衛·韋伯放置的1/4比例（5米）光學屏蔽原型，約為其1/2寬度，從而可以在不需要全尺寸模型（20米寬）的情況下，檢查摺紙設計的細微特徵。

日冕儀形狀的反光「瞳孔面具」。這個2.54厘米寬的組件對於日冕儀設計至關重要，是嵌套系統的一部分，用於偏轉和阻擋雜星光。

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，須藉助變形鏡進行校正。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，可導致無緩衝的柔光也被抵消。標準的衛星技術，如反應輪和陀螺儀（有助於指向航天器），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採樣，天文台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。儘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於遙遠星球中的氣體，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於其大氣中：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於太空飛行的專用超低雜訊探測器。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。

科學家提出了未來編隊飛行干涉成像概念，可捕獲遙遠太空的類地球圖像。

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解析度，意味著望遠鏡的鏡面越大，可以觀測的恆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後，展開即成為蜂窩狀大型盤狀陣列。計劃於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，並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，曾經有關於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年之後，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闢新篇章。在開普勒空間望遠鏡進行銀河系普查之後，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。

18個六角形鏡面將構成詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的主鏡，使用精密的波前感測和控制子系統來感測並糾正光學上的任何誤差。

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