[비즈한국] 美國國家航空航天局（NASA）未來會執行什麼樣的任務呢？其實有一個地方可以讓我們一窺未來幾年即將進行的太空探索任務。美國國家科學院（NAS）每年都會組織天文學家聚會，構思未來10年的長期探測計劃。他們規劃的不僅是眼前，甚至涵蓋了未來10年乃至數十年的藍圖。因此，檢視他們每十年公佈一次的《十年調查報告》（Decadal Survey），就能瞭解當前天文學界正朝著什麼樣的未來邁進。
1972年，天文學家構思了一種大型太空望遠鏡，旨在未來十年內從紫外線、可見光到紅外線，對宇宙進行全方位的觀測。這一構想最終孕育了哈勃太空望遠鏡。2001年，天文學界宣佈新的目標是建造一臺能夠集中觀測大爆炸後早期宇宙的超大型太空望遠鏡，並將資金投入到下一代太空望遠鏡（NGST）專案中。在那次歷史性宣言發表20年後，這臺望遠鏡以“詹姆斯·韋布”之名飛向了太空。
那麼，現在天文學家所夢想的10年、20年後的太空探索將指向何方呢？天文學家們的新焦點正轉向外星生命，以及尋找可能存在生命的行星。他們正在構思專門用於搜尋生命跡象的新型望遠鏡。
2023年公佈的願景十分宏大：在銀河系中圍繞數億顆恆星尋找儘可能多的行星。迄今為止，最活躍的外星行星獵手當屬開普勒太空望遠鏡。開普勒在發現超過5000顆系外行星後退役了。隨後，TESS接過了接力棒，算上候選行星，目前人類發現的系外行星總數已超過一萬顆。
但我們不能止步於此。因為至今尚未確切發現一顆真正存在生命的系外行星。天文學家們現在構思的新型太空望遠鏡，重點將完全放在系外行星及其生命跡象（生物標記）的搜尋上。根據計劃，該望遠鏡的鏡面直徑約為6米，與詹姆斯·韋布相似。不過有一個重要區別：與只觀測紅外線的詹姆斯·韋布不同，這款新望遠鏡能夠觀測從紅外線、可見光到紫外線等多種波長的光。這是將原本兩個獨立專案合併後的計劃。
該專案有個非常直白的名字，叫作“大型紫外/光學/紅外測量儀”（LUVOIR）。它的目標是發射一臺直徑達10到15米的巨型太空望遠鏡，對紅外線、可見光及紫外線等廣泛波長的光進行高解析度觀測。雖然有建議稱應在卡爾·薩根誕辰100週年之際的2034年發射，但由於計劃規模過於龐大，其實施可行性尚不明確。
另一個專案是“宜居系外行星天文臺”（HabEx）。這同樣是一臺專為搜尋系外行星設計的新型太空望遠鏡。開普勒等此前的許多觀測主要利用“凌日法”，即觀察行星從恆星前方經過時恆星亮度的微弱減弱。而HabEx設想了一種更積極的方法，它計劃在望遠鏡瞄準的恆星前方部署巨大的遮光板，從源頭上最大限度地減少恆星光的干擾。這樣，就能更清晰地拍攝到隱藏在明亮星光中的系外行星的照片。
此次新公佈的計劃將LUVOIR和HabEx兩個專案和諧地結合在了一起，簡稱為“宜居世界天文臺”（HWO）。HWO的目標不僅是尋找其他恆星旁是否有行星，更旨在準確探測到生命存在的跡象。
既然詹姆斯·韋布已經在執行，還有必要發射HWO嗎？詹姆斯·韋布雖然出色，但有其現實且重要的侷限性。它並非專門為系外行星設計的望遠鏡，而是一臺多功能望遠鏡，承擔著觀測大爆炸後早期宇宙、太陽系行星、恆星與星系誕生場所等多種天文任務。系外行星只是其整體任務中的一部分，因此很難獲得足夠的觀測時間來搜尋生命跡象。
此外還有科學難題。要識別生命跡象，必須瞭解系外行星的大氣成分。詹姆斯·韋布和此前的觀測一樣，透過凌日期間行星大氣穿過星光時留下的光譜化學痕跡來推斷其成分。
然而，這種方式需要漫長的等待。僅憑單次觀測很難獲得足夠好的資料，必須等待行星再次執行到恆星前方。只有經過多次凌日觀測，才能積累具有統計學意義的資料。
凌日法本身也存在先天缺陷。正如剛才所言，為了積累資料，必須多次見證凌日，因此更容易觀測到公轉週期短的系外行星。只需等待幾天或幾周就能看到下一次凌日。但這引出了另一個問題：公轉週期短意味著行星緊貼著中心恆星，軌道極小。由於距離太近，行星容易受到恆星耀斑的直接衝擊。即使行星因恆星光度適中而溫度適宜，一次耀斑爆發也可能讓生命瞬間消失。因此，過度依賴凌日法會導致觀測偏差，只盯著那些根本不具備生命生存條件的行星。
為了克服這一侷限，HWO將採用兩種主要方法。首先是日冕儀，它利用了HabEx構想中遮光板的原理。透過在望遠鏡的光路中間插入一個小圓板遮擋恆星光，隱藏在周圍的暗淡系外行星就會顯現出來。事實上，詹姆斯·韋布已經嘗試過這種方法，即將發射的下一代南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡也將採用它。
這種方法最大的優勢是不必依賴行星凌日。凌日法存在一個致命問題：只有當行星軌道角度恰好合適，足以遮擋恆星時才能使用。如果傾角稍微偏離，無論行星如何公轉，都不會遮擋恆星，我們也無法觀察到亮度的顯著減弱。
而日冕儀只需遮住恆星，就能直接拍攝隱藏在周圍的系外行星。因此，它不受是否凌日的限制。我們能發現更多那些因軌道傾角過大，導致凌日法無法確認其存在、從而被遺漏的行星。
當然，技術難關依然存在。我們的最終目標不是木星那種巨大的氣態巨行星，而是像地球一樣小的岩石行星。如果行星尺寸小，其反射的星光自然也會很暗。要從明亮的恆星光中捕捉到隱藏的系外行星，需要極高的靈敏度來區分強光與弱光。在同一張照片中，必須能夠感應到比明亮星光暗100億倍的小斑點。目前的技術水平勉強能感應到比最強光暗1億倍的天體，前路依然漫長。這是集合所有光學技術需要攻克的重要課題之一。
HWO將採用的另一項特殊技術是積分場光譜儀（IFU）。此前的觀測是對系外行星的整體光線進行光譜分析，而IFU能將行星的影象和光譜細分為多個畫素點來觀測。透過這種方式，我們不再是將行星光線籠統看待，而是可以精細地分析出系外行星表面哪些區域的生命跡象更為明顯。
NASA已經為HWO編列了預算，並正在商討發射日程，計劃在2040年代升空。雖然這聽起來像是遙遠的未來，但考慮到詹姆斯·韋布在人們認為遙不可及的情況下最終發射並每日帶來驚人的科研成果，HWO成為現實的日子也指日可待。
與此同時，歐洲空間局（ESA）也在構思一種專門探索系外行星及其生命跡象的新型空間望遠鏡。雖然規模比NASA的HWO小，但其論證充分，計劃在更早的2029年左右發射。該任務被稱為“大氣遙感紅外系外行星大規模測量儀”，簡稱“阿里爾”（ARIEL）。這個名字與動畫片《小美人魚》同名。考慮到其目標是尋找像地球一樣可能擁有液態海洋的系外行星，這個名字起得相當貼切。
阿里爾將像現在的詹姆斯·韋布一樣，被送往月球軌道之外的L2點。阿里爾的體積並不大，其獨特之處在於內部配備了一個橫向擠壓的橢圓形反射鏡，長軸約1米，短軸約70釐米。阿里爾將對超過1000顆不同系外行星的大氣成分進行更精細的調查。正如美國國家科學院的《十年調查報告》一樣，ESA每年也會透過“宇宙願景”（Cosmic Vision）提出未來太空探索的宏大藍圖，而阿里爾正是其中新確定的計劃。
HWO和阿里爾與現有的地面及太空望遠鏡有一個重要的區別：它們完全以系外行星，尤其是解析其大氣成分為核心目標。例如，詹姆斯·韋布雖然觀測紅外線，但它同時還要兼顧星系、恆星等其他天體，因此在設計上無法覆蓋對解析系外行星大氣成分至關重要的所有紅外波段。為了實現多重目的，它做出了一定的妥協。但HWO和阿里爾從設計之初就是為了系外行星大氣層服務，因此能夠獲得針對性的最佳化設計。
有趣的是，人類在未來10到20年內最關注、最努力的目標，在天文學界大多聚焦於系外行星和外星生命的搜尋。這足以讓人感受到，在不久前還被當作科幻小說的領域，如今的地位已經顯著提升。
回首過去，雖然系外行星不斷被發現，認真思考外星生命存在可能性的天文學家也在持續增加，但專門以系外行星及其生命跡象為唯一目標的專業太空望遠鏡幾乎從未有過。（雖然有開普勒望遠鏡，但它並沒有深入檢視系外行星的大氣層。）在某種意義上，人類或許從未真正深入窺視過外星生命的跡象。如今，我們終於完成了所有心理準備，開始夢想著那真正意義上的首次探索。
參考資料
https://science.nasa.gov/about-us/science-strategy/decadal-surveys/
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Ariel_moves_from_blueprint_to_reality
https://arielmission.space/index.php/press-releases/
https://nap.nationalacademies.org/catalog/26141/pathways-to-discovery-in-astronomy-and-astrophysics-for-the-2020s
作者池雄培（Ji Woong-bae）？熱愛貓咪與宇宙。童年時看過《銀河鐵道999》後，立志將宇宙的美麗傳播給世人。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過星系相互作用導致的演化，並進行講演和科普寫作等科學傳播活動。著有《曖昧中的天文臺》、《整天思考宇宙》、《星，光之科學》等書。