NASA下一代太空望遠鏡找什麼？ 尋找宜居星球和系外生命

原標題：NASA下一代太空望遠鏡找什麼？

本報記者房琳琳綜合外電

20年前，你或許手腳並用就能數出宇宙中的所有已知行星，還能回憶出它們的名字。但是今天，你可能需要一個計算器和一個大圖表，成千上萬的系外行星填滿了我們的表格。天文學家正準備再找到一萬顆甚至更多的行星。

這些美麗的行星絕大多數超級炎熱，不宜居住，木星和海王星就是如此，但是有一些看起來就像我們居住地球的巨大翻版，我們稱之為「超級地球」。少數天體在大小、質量和軌道方面都幾乎是地球的鏡像。

數據顯示，行星必須圍繞恆星做繞軌運動，甚至提示最近的地球雙胞胎兄弟可能在距離地球12光年的距離之內，從星際的空間距離看，這幾乎就在「隔壁」。行星尋找者還不能確定這樣的天體是否存在？什麼時候、如何找到它？美國航空航天局（NASA）對此已有自己的計劃。

尋找「宜居星球」靠「開普勒」不夠

很多迄今為止讓人興奮的發現都來自於NASA的行星獵人——開普勒計劃任務，但是這個空間望遠鏡對於接下來的研究來說，眼光顯得似乎昏暗了些。

開普勒的最新任務階段被稱作「K2」，致力於宣召那些圍繞較近和較明亮的恆星做繞軌運行的行星。但在2017年開普勒的繼任者——掠過地外行星的搜尋衛星（TESS）被發射升空前，新任務還不會立刻啟動。

與開普勒相似的是，TESS會通過飛掠其他恆星來搜尋神秘莫測的世界。TESS將可能找到附近數以千計的行星，其中數百個可能比較小且布滿岩石。少數幾個將沐浴在名為「M矮人」的恆星充足的陽光下，其上或許還有液態水。

也就是說，TESS可能找到一些宜居星球。為了了解更多信息，天文學家們會仔細考察每個星球的大氣環境，用分光鏡來分辨和煦的氣候環境，比如說水蒸氣、二氧化碳，以及從光合作用植物中釋放的氧氣，或者從細菌中釋放的甲烷等存在生命的潛在信號。

韋伯望遠鏡有望接續尋找任務

在本世紀20年代，一些反射鏡面直徑超過30米的地基「超大望遠鏡」，將用於處理TESS和其他任務找到的潛在宜居系外行星的測量數據，但是科學家一致認為，要想在這樣的星球上研究生命的跡象，最好還是在太空中比較實際些，如此才能避免受到地球大氣氣流的影響。

天文學家已經讓不再年輕的哈勃太空望遠鏡超越自身極限去觀察一些大的、極熱的、不宜居星球的空氣環境了。只有NASA斥資90億美元建造的、將於 2018年發射升空的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡才有希望隨時接續TESS誘人的發現任務。這一觀點也成為該望遠鏡開發者在與公眾和國會溝通時候從來沒有忘記 強調的一點。

只是要問詹姆斯·韋伯望遠鏡究竟有多大本事，直接取決於你提問的對象是誰。在太空望遠鏡科學研究所工作的韋伯望遠鏡項目科學家傑森·凱利萊就很樂 觀：「我們可以測量溫暖的超級地球大氣中的很多分子，包括二氧化碳、甲烷和水蒸氣等。」但是天文學家傑夫·瓦倫提則相對保守：「並不能斷言一定會在『M矮 人』軌道上找到潛在的宜居星球，我們會儘力嗎？答案是肯定的；能確定找到嗎？我保持懷疑態度。」

能否找到系外生命還靠運氣

韋伯望遠鏡攜帶的低溫冷卻探測器和超大6.5米鏡面具有鷹眼紅外視野，可以對TESS飛掠的一些行星的大氣層進行檢測。當一個行星處在飛掠過程，韋 伯可以通過搜集照耀其大氣上的光線進行研究，獲取有關大氣成分和結構的信息；它還能通過TESS的幫助來評估這顆行星的日間溫度。

韋伯究竟能否在太陽系外搜尋到生命的爭論，要看它是否足夠幸運了。如果TESS沒能找到任何令人著迷的超級地球，韋伯就不會有很多工作可做。韋伯被 設計用來研究宇宙的一級恆星，而並非潛在的宜居星球，它所攜帶的設備在設計之初，就有料到如今天文學家對潛在系外行星的認識走到如此之遠。檢測類地行星的 任務超出了韋伯望遠鏡的能力範圍，完成新任務所需要的新的光學技術在其發射升空之前沒法應用。

最安全的方案是，至少為一個潛在宜居超級地球檢測是否存有大氣層。儘管如此，要求韋伯對「M矮人」附近的星球進行「潛在宜居性」的檢測都是強人所 難，因為「M矮人」恆星為其行星的宜居性設置了大量不確定和挑戰性因素：在宜居區域的星球可能受到潮汐影響，其中某個半球始終面朝恆星而被異常強烈的恆星 光耀猛烈衝擊。

完成目標需要大量「觀測時間」

研究顯示，為了韋伯能穩定地探測水蒸氣，這顆行星很可能需要被包裹在厚厚的氫毯下面。「系外行星探索項目分析組」（ExoPAG)是一批有影響力的 科學家組成的委員會，他們幫助NASA優先策劃接下來要開展的項目和任務。該組織的一項最新研究表明，類似探測和測量水蒸氣的任務可能需要對每個行星進行 長達數月的觀測。

探測生命的希望或許很讓人沮喪，韋伯望遠鏡若要考察「潛在宜居」目標，都需要花費大量的望遠鏡操作時間。「即使我們能夠在TESS飛掠過的行星上探 測到水，對於宜居性來說也未必是個好消息。」主導這項研究的馬塞諸塞州阿姆赫斯特學院天文學家尼克·科萬說，一個在其大氣層富含水分子的類地行星很可能正 在失水過程中，正如金星那樣終將變成又干又熱的星球。

在其最初的五年任務時間內，假設韋伯必須與整個天文物理學家團體分享時間，恐怕最多也只有1/4觀測時間能夠用於研究系外行星。科學家目前正在爭 論，望遠鏡到底該給邊緣的宜居星球研究多大的重視程度。總之，如果傳回了很多低質量的觀察結果會帶來更多問題，畢竟望遠鏡可以很輕鬆地提供更大、更熱、完 全不宜居的行星的形成和大氣的大量評估新數據。

「TESS和韋伯將我們從『任務有限』帶入到了『時間有限』的決策困境。」ExoPAG主席、俄亥俄州立大學天文學家斯考特·高迪如是說，「韋伯並非不能檢測潛在宜居行星，只是這要佔據現實中可供使用的更多時間。」

也有人認為韋伯被「大材小用」

指明如何最好地利用韋伯將是望遠鏡時間分配委員會的一項精密任務，在2018年發射升空之前最好開始審議清楚。儘管韋伯能夠研究更多非宜居行星， 「但我覺得韋伯有點大材小用了。」高迪說，「應該用較小的裝備來完成這個任務。」也有一種爭論認為，應該用你最好、最先進和最昂貴的設備來進行獨一無二的 工作，即便它還不夠完美。當然，觀測超級地球就是這樣的獨一無二的任務。

根據ExoPAG的建議，一個打破僵局的潛在解決方案，可能是將韋伯巨大的研究計劃外包給一些不同的太空任務，然後設計一種小得多也便宜得多的太空 望遠鏡單獨調查上百個非宜居星球的大氣環境。這樣的任務設計或許能夠在本世紀20年代中葉即可完成建設和發射，那時候，韋伯也會迎來自己的暮年時光。

最近，天文學家已經提出了這樣的計劃。2013年，NASA通過了一個叫做FINESSE（快速遠紅外光譜學系外行星測繪探險者）的提案。去年歐空 局選擇了類似開普勒的PLATO（行星飛掠和恆星震蕩）任務準備在2024年發射升空。現在，韋伯優先的觀測時間帶來的緊急情況正在顯現，提出這些提議的 兩個課題組都在重新考慮他們的機會，也都重新提交了新的提議。

殊途同歸但均面臨「優化」難題

「系外行星研究群體中的一部分人想要找到我們最近的地球雙胞胎兄弟，以試圖在其中檢測到生命的跡象，但是另外有一些人則偏愛去多了解整個行星家 族。」系外行星大氣專家、NASA噴氣推進實驗室FINESSE團隊領導人馬克·思維恩說，「雖然有不同的觀點，但終會殊途同歸。我認為最終都會走向對圍 繞另一恆星的行星上是否有生命跡象的證實過程，我們需要了解它們的大氣層如何作用，這需要將這類目標通盤綜合考慮。大尺度的測繪任務會提供更豐富的內 容。」

不管飛掠探測空間望遠鏡能否實現對韋伯的補充，NASA的後韋伯時代項目已經在動議之中了。韋伯之後，NASA計劃於2020年以後發射一個2.4米直徑的大視野紅外測繪望遠鏡（WRIRST），用以研究暗物質並對系外行星進行拍照。

很多行星獵人已經寄希望於找到一系列地球的「同盟者」了，不管在這個項目之前還是之後，他們夢想著用一個10米或者12米的太空望遠鏡，來直接對更多類似太陽的恆星之類地行星進行取像。

但是，為了那樣艱巨的任務充分優化一個望遠鏡，仍需要在其深度探測更小和更灰暗的恆星之行星時完成妥協。這樣的一個望遠鏡可能在理論上可研究上百個 鏡像地球，但是在經費有限的情況下，只能先探測最近的和最明亮的十幾顆潛在宜居地。「總之，我不認為韋伯會那麼幸運能夠搜尋到生命。」阿姆赫斯特這樣說。