宜居世界天文台 Habitable Worlds Observatory HWO
https://scitechdaily.com/hunting-for-life-beyond-earth-coronagraphs-starshades-and-alien-biosignatures/ https://www.cnbeta.com.tw/articles/science/1384391.htm太空望远镜能否描述系外行星大气层的特征，从而寻找可能表明存在生命的迹象，取决于能否阻挡来自遥远恒星的眩光的技术。阻挡恒星光线的方法主要有两种：一种是望远镜内部的小型遮光板，称为日冕仪；另一种是望远镜外部的大型遮光板，称为星罩。在太空中，星罩会展开成一个巨大的向日葵形结构，如下图所示。
该动画展示了星罩的原型，这是一种巨型结构，旨在阻挡恒星的强光，以便未来的太空望远镜能够拍摄行星照片。资料来源：美国国家航空航天局
在这两种情况下，恒星的光线都会被挡住，这样附近行星反射出的微弱星光就会显现出来。这个过程类似于在拍摄微笑的朋友时用手挡住太阳光。通过直接捕捉行星的光线，研究人员可以使用其他称为光谱仪的仪器仔细观察这些光线，寻找化学特征。如果绕着遥远恒星运行的行星上有任何生命存在，那么这种生命的集体吸气和呼气可能会以生物特征的形式被探测到。
JPL的NASA系外行星探测计划首席技术专家尼克-西格勒（Nick Siegler）说："我们估计，仅在我们银河系的宜居带，就有多达几十亿颗地球大小的行星。宜居带是恒星周围温度适合液态水生长的区域。我们想探测这些系外行星的大气层，寻找氧气、甲烷、水蒸气和其他可能预示着生命存在的化学物质。我们要看到的不是小绿人，而是这些关键化学物质的光谱特征，也就是我们所说的生物特征。"
据 Siegler 称，NASA 已决定将重点放在 HWO 概念的日冕仪路线上，这是在最近对 NASA 的南希-格蕾丝-罗曼太空望远镜投资的基础上发展起来的，该望远镜将利用先进的日冕仪对气体巨型系外行星成像。(加州理工学院的 IPAC 是罗曼科学支持中心的所在地）。如今，日冕仪已在其他几台望远镜上使用，包括在轨运行的 JWST、哈勃望远镜和地面天文台。
麻省理工学院的萨拉-西格（Sara Seager）在加州理工学院研讨会上发表了题为"为宜居世界天文台实现星光抑制"的演讲。资料来源：加州理工学院
创新与未来展望
马维特开发了日冕仪，用于夏威夷大岛毛纳凯亚山顶的 W. M. 凯克天文台的仪器。最新版本的日冕仪被称为涡旋日冕仪，由马维特发明，安装在凯克行星成像和特征仪（KPIC）中，该仪器可以让研究人员直接对年轻和温暖的气态巨型系外行星的热辐射进行成像和研究。日冕仪可以抵消恒星的光线，从而拍摄到比恒星暗一百万倍的行星照片。这使得研究人员能够详细描述年轻的气态巨型系外行星的大气层、轨道和自转特征，帮助回答有关其他太阳系的形成和演化的问题。
但是，要直接成像一颗孪生地球行星--我们所知的生命最有可能在这颗行星上繁衍生息--则需要对现有技术进行大规模改进。像地球这样在宜居带围绕类太阳恒星运行的行星，很容易被恒星的强光所掩盖。例如，我们的太阳就比地球的光强 100 亿倍。要使日冕仪达到这种星光抑制水平，研究人员必须将其技术推向极致。马维特说："随着我们越来越接近所需的星光抑制水平，挑战的难度也会成倍增加。"
通过NASA系外行星探测计划技术经理尼克-西格勒（Nick Siegler）博士的解说，详细介绍了日冕仪的工作原理以及它如何帮助直接为系外行星成像。资料来源：美国国家航空航天局
加州理工学院研讨会的与会者讨论了日冕仪技术，该技术涉及用仪器内部的超精密可变形镜片控制光波（见上图视频）。虽然日冕仪可以阻挡恒星的大部分光线，但杂散光线仍会进入最终图像，呈现出斑点状。通过使用数千个推杆对可变形镜面的反射面进行推拉，研究人员可以消除残余星光的斑点。
即将问世的南希-格蕾丝-罗曼太空望远镜将是第一个使用这种日冕仪的望远镜，它被称为"主动"式，因为它的镜面会主动变形。在 JPL 进行更多测试后，罗曼日冕仪最终将被集成到 NASA 戈达德太空飞行中心的最终望远镜中，并最迟于 2027 年发射到太空。罗曼日冕仪将使天文学家能够拍摄到比恒星暗十亿倍的系外行星图像。这包括成熟的和年轻的气态巨行星，以及行星形成过程中留下的碎片盘。
JPL的罗曼日冕仪技术专家瓦内萨-贝利（Vanessa Bailey）说："罗曼日冕仪是NASA在寻找太阳系外生命的道路上迈出的下一步。当今望远镜与宜居世界天文台之间的性能差距太大，无法一下子弥合。罗曼日冕仪的目的就是成为中间的垫脚石。它将展示几项必要的技术，包括日冕仪掩膜和可变形反射镜，其性能水平在实验室之外从未达到过"。
要想直接为一颗类太阳恒星周围的地球孪生星成像，就意味着要进一步推动罗曼日冕仪背后的技术。马维特解释说："我们需要能够将反射镜的变形精确到皮米级。与罗曼日冕仪相比，我们需要将星光再抑制大约 100 倍。这次研讨会有助于指导我们找出我们的技术差距在哪里，以及我们在未来十年中需要在哪些方面进行更多的开发。"
研讨会上讨论的其他话题还包括与日冕仪配合使用的最佳主镜类型、镜面涂层、处理微流星体对镜面造成的损坏、可变形镜面技术，以及探测器和用于集成建模和设计的先进工具。工程师们还介绍了星罩及其技术准备状态的最新情况。
发现地球双胞胎之路
与此同时，随着技术的不断进步，其他科学家也将目光投向恒星，寻找 HWO 可以成像的类地行星。迄今为止，已经发现了 5500 多颗系外行星，但没有一颗是真正的类地行星。行星搜寻工具，如加州理工学院领导的凯克天文台新的凯克行星探测器（KPF），通过寻找行星在环绕恒星运行时对恒星产生的拉力，已经能够更好地发现行星。重量较大的行星会产生更大的牵引力，离恒星较近的行星也是如此。KPF 的设计目的是在小红星的宜居带中寻找地球大小的行星（红星的宜居带更靠近恒星）。在接下来的几年里，KPF将不断改进，也许能够探测到地球双胞胎。
到 20 世纪 30 年代末或 20 世纪 40 年代初发射 HWO 时，科学家们希望能有至少 25 颗类地行星的目录可供探索。
尽管前路漫漫，参加研讨会的科学家们还是迫不及待地与从全国各地赶来帕萨迪纳的同行们讨论了这些挑战。JPL 主任劳里-莱辛（Laurie Leshin，89 年硕士，95 年博士）在会议开始时发表了鼓舞人心的讲话。她说："这是一个令人兴奋而又艰巨的挑战。但这正是我们的目标。我们不是一个人在战斗。我们需要合作"。
KPF
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