IT之家 9 月 1 日消息，地球是宇宙中已知唯一存在生命的星球，而所有生命的存續(xù)都高度依賴液態(tài)水 —— 正是液態(tài)水為化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造了必要條件。雖然單細(xì)胞生命幾乎與地球本身一樣古老，但多細(xì)胞生命的形成卻花了大約 30 億年的時(shí)間，人類存在的時(shí)間還不到地球年齡的萬分之一。

這一切似乎表明：在存在液態(tài)水的行星上，生命或許并不罕見；但像人類這樣能夠研究宇宙、渴望開展星際旅行的生命，卻可能極為稀少。若想找到地外生命，或許我們終將主動(dòng)踏上星際征程。

然而，宇宙的浩瀚無垠，再加上“無法以超光速進(jìn)行旅行或通信”這一物理限制，為人類的星際探索劃定了現(xiàn)實(shí)邊界。即便是依靠太空探測器，在人類的有生之年，也僅能抵達(dá)離太陽最近的幾顆恒星。此外，只有與太陽大小、溫度相近的恒星，才具備足夠長的壽命與穩(wěn)定的大氣層，能為多細(xì)胞生命的演化提供充足時(shí)間。正因如此，距離地球約 30 光年以內(nèi)、與太陽相似的 60 余顆恒星，成為了最具研究價(jià)值的觀測目標(biāo)。而圍繞這些恒星運(yùn)行的行星中，最有希望存在生命的，是那些大小與溫度接近地球的星球，唯有這樣，才可能出現(xiàn)固態(tài)地表與液態(tài)水。

如同“大海撈針”的觀測難題

據(jù)IT之家了解，要將類地系外行星與其環(huán)繞的恒星區(qū)分開來單獨(dú)觀測，難度極大。即便在最佳觀測條件下，恒星的亮度也比行星高出 100 萬倍；一旦二者的影像重疊模糊，探測行星便無從談起。光學(xué)理論表明，望遠(yuǎn)鏡成像的最高分辨率取決于兩個(gè)因素：望遠(yuǎn)鏡的尺寸，以及觀測光線的波長。

存在液態(tài)水的行星，在波長約 10 微米（大致相當(dāng)于一根細(xì)發(fā)絲的直徑，是可見光典型波長的 20 倍）的波段發(fā)光最強(qiáng)。若要在 30 光年的距離上，通過這一波段將地球與太陽的影像區(qū)分開，望遠(yuǎn)鏡的集光口徑至少需要達(dá)到 20 米。不僅如此，望遠(yuǎn)鏡還必須部署在太空中 —— 因?yàn)榈厍虼髿鈱訒?huì)嚴(yán)重模糊地面觀測的影像。但目前人類最大的太空望遠(yuǎn)鏡“詹姆斯?韋布太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）”，直徑僅為 6.5 米，而且發(fā)射這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)極為困難。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)尚無法造出 20 米口徑的太空望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家們探索了多種替代方案。其中一種思路是發(fā)射多臺(tái)小型望遠(yuǎn)鏡，通過精確控制它們之間的距離，讓整個(gè)觀測系統(tǒng)等效于一臺(tái)大口徑望遠(yuǎn)鏡。但問題在于，這種方案要求航天器的定位精度達(dá)到“分子級(jí)”，目前的技術(shù)根本無法實(shí)現(xiàn)。

另一些方案則考慮使用更短波長的光線，以減小望遠(yuǎn)鏡的口徑需求。但在可見光波段，類太陽恒星的亮度會(huì)比地球高出 100 億倍以上。即便理論上能達(dá)到足夠的成像分辨率，以人類當(dāng)前的技術(shù)，也無法屏蔽掉足夠多的恒星光芒來觀測到行星。

還有一種“遮星”思路：在太空望遠(yuǎn)鏡前方數(shù)萬英里處，部署一臺(tái)直徑數(shù)十米的“遮星傘”航天器，其能精準(zhǔn)遮擋恒星光線，同時(shí)讓行星發(fā)出的光線順利進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡。但這種方案不僅需要同時(shí)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡與遮星傘兩臺(tái)航天器，更關(guān)鍵的是，若要觀測不同恒星，遮星傘需移動(dòng)數(shù)萬英里，所需燃料量極大，根本不具備可行性。

矩形望遠(yuǎn)鏡：更具可行性的新方案

在倫斯勒理工學(xué)院的天體物理學(xué)家海蒂?紐伯格（Heidi Newberg）教授發(fā)表的研究論文中，提出了一種更易實(shí)現(xiàn)的替代方案：使用一臺(tái)與 JWST 尺寸相近、同樣工作在 10 微米紅外波段的望遠(yuǎn)鏡，但將其鏡面從 6.5 米直徑的圓形，改為 1 米 ×20 米的矩形。

憑借這種形狀與尺寸的鏡面，望遠(yuǎn)鏡能在“20 米長邊”所指的方向上，將恒星與系外行星的影像區(qū)分開。若要觀測恒星周圍任意位置的行星，只需旋轉(zhuǎn)鏡面，讓其長邊與“恒星 - 行星”連線對齊即可。其研究表明，理論上，這種設(shè)計(jì)能在 3 年內(nèi)找到 30 光年范圍內(nèi)、圍繞類太陽恒星運(yùn)行的半數(shù)類地行星。盡管該設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步的工程優(yōu)化才能確保性能，但與其他主流方案不同，其不存在需要突破重大技術(shù)瓶頸的硬性要求。

若平均每顆類太陽恒星周圍都有一顆類地行星，那么通過這種望遠(yuǎn)鏡，我們有望發(fā)現(xiàn)約 30 顆極具潛力的候選行星。對這些行星的后續(xù)研究，能幫助我們識(shí)別出那些大氣層中存在“生命信號(hào)”的星球 —— 例如，通過光合作用產(chǎn)生的氧氣。對于最有希望的候選星球，我們甚至可以發(fā)射探測器，最終傳回其地表影像。這款矩形望遠(yuǎn)鏡，或許能為人類找到“地球 2.0”—— 我們的“姊妹星球”—— 開辟一條清晰可行的道路。