系外行星探索中的新技術(shù)

劉艷

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)開發(fā)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(jì)劃?！?/p>

為了在遙遠(yuǎn)的世界中找到生命跡象，科學(xué)家必須時(shí)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(shí)代，科學(xué)家面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)：我們只有在這些探照燈似的恒星光線變暗時(shí)才能看見行星；空間望遠(yuǎn)鏡必須幾乎完美地鎖定目標(biāo)；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(gè)多云、富含水并且可居住的星球的照片，望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)師就必須有遠(yuǎn)大的目標(biāo)。

降低亮度

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

在其背后會(huì)布置一架空間望遠(yuǎn)鏡，拉開一定距離，幾乎和其同步。遮星板錯(cuò)綜復(fù)雜的模式不僅僅是為了阻擋星體主盤，每個(gè)“花瓣”就像一個(gè)個(gè)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(xiàn)，望遠(yuǎn)鏡便可捕捉到其環(huán)繞恒星運(yùn)行軌道上的圖像。

第二項(xiàng)技術(shù)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(yuǎn)鏡中相對(duì)較小的設(shè)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(jié)構(gòu)像家用管道固定裝置中墊圈的第二個(gè)光阻擋器，以及裝有機(jī)械活塞的鏡子。

面罩和墊圈清除了望遠(yuǎn)鏡黑色顯示屏幕的許多星光。然而，光敏感性提高的同時(shí)，會(huì)出現(xiàn)令人難堪的現(xiàn)象：光斑像一團(tuán)螢火蟲聚集在屏幕中心。這是望遠(yuǎn)鏡光學(xué)缺陷的產(chǎn)物，是設(shè)計(jì)人員必須解決的難題。

這時(shí)可使用柔性鏡。小活塞使鏡子變形，精確匹配光點(diǎn)，并消除光線。與此同時(shí)，與其他星體相比，行星光線以較小角度進(jìn)入望遠(yuǎn)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(jìn)入視野。

靜止不動(dòng)

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

望遠(yuǎn)鏡也必須進(jìn)行強(qiáng)大的自控檢查。特別是對(duì)未來任務(wù)中的大型多鏡陣列來說，振動(dòng)必須達(dá)到絕對(duì)最小值。這聽起來更難，因?yàn)闄C(jī)械部件需經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和磨削，在加熱和冷卻時(shí)金屬會(huì)膨脹和收縮，可導(dǎo)致無緩沖的柔光也被抵消。標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星技術(shù)，如反應(yīng)輪和陀螺儀（有助于指向航天器），也會(huì)引起必須克服的微小抖動(dòng)。美國航空航天局的工程師說，將微型推進(jìn)器與這些更常見的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合使用，可以穩(wěn)定未來的航天器。

靈敏度訓(xùn)練

為了對(duì)外星生命跡象進(jìn)行采樣，天文臺(tái)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(jìn)行這樣的旅行，但是，一旦有一天獲取其可能攜帶植物、動(dòng)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(gè)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(xué)的技術(shù)，使我們能夠識(shí)別存在于遙遠(yuǎn)星球中的氣體，因?yàn)樾行欠瓷涔饪梢员贿@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(dá)到這種靈敏度，工程師必須發(fā)送一個(gè)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(fā)設(shè)計(jì)可以放大遙遠(yuǎn)系外行星微弱光電子信號(hào)的儀器，即使只是一個(gè)單獨(dú)光子流，這一儀器也能夠放大電子信號(hào)，克服可能會(huì)掩蓋行星信號(hào)的亞原子噪音。

我們需要一個(gè)更大的望遠(yuǎn)鏡

提及空間望遠(yuǎn)鏡，自然鏡面越大越好。天文學(xué)家稱之為角度分辨率，意味著望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡捕獲這類圖像是不太可能的，因?yàn)榈厍虼髿庵械姆肿舆\(yùn)動(dòng)使我們無法獲取足夠穩(wěn)定的圖像。

但是，將一個(gè)巨大的單鏡發(fā)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(yùn)送至太空后，展開即成為蜂窩狀大型盤狀陣列。計(jì)劃于2018年年初發(fā)射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡使用的就是這種設(shè)計(jì)。

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

這種進(jìn)步所需的極高精度使它們成為一個(gè)艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)然，曾經(jīng)有關(guān)于美國航空航天局開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的報(bào)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(jù)。評(píng)論家最初認(rèn)為這是不可能的。而現(xiàn)在，在它發(fā)射8年之后，天文學(xué)家已經(jīng)在我們周圍星系中發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)系外行星和候選系外行星。

即將到來的技術(shù)創(chuàng)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(yuǎn)鏡進(jìn)行銀河系普查之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)充滿“淡藍(lán)色圓點(diǎn)”的星系，為人類探索宇宙的漫長孤獨(dú)之旅畫上一個(gè)句號(hào)。