这种奇特而出色的望远镜设计可能会帮助发现另一个地球

地球是我们所知的唯一孕育生命的地方，地球上所有生物都依赖液态水来驱动基本化学反应。简单的单细胞生物存在的时间几乎与地球本身一样长，但更复杂的多细胞生物进化却花了大约30亿年。相比之下，人类的存在时间只占地球历史的一小部分——不到其年龄的万分之一。

矩形太空望远镜的概念设计，仿照衍射干涉日冕仪系外行星解析器（DICER，一个概念化的红外太空天文台）和詹姆斯·韦伯太空望远镜。图片来源：Leaf Swordy/伦斯勒理工学院。

这条时间线表明，在存在液态水的行星上，生命可能相当常见，但能够探索宇宙的智慧生命可能远非如此。如果我们希望发现地球以外的生命，我们可能需要直接接触它。

挑战在于，宇宙浩瀚无比，物理定律不允许我们以超光速移动或交流。这一限制意味着，即使使用机器人探测器，在人类有生之年也只有距离太阳最近的恒星才有可能被探索。在这些恒星中，最佳候选者是大小和温度与太阳极为相似的恒星。这样的恒星寿命足够长，并且足够稳定，足以让复杂的生命得以发展。

目前，天文学家已在距离地球约30光年的范围内发现了约60颗类太阳恒星。围绕这些恒星运行、大小和温度与地球相似、可能存在固态地面和液态水的行星被认为是最有希望的观测地点。

观测一颗类地系外行星，并将其与其所环绕的恒星分开是一项巨大的挑战。即使在最佳情况下，恒星的亮度也比行星高出一百万倍；如果两个天体模糊地融合在一起，就完全没有希望探测到行星。

光学理论认为，望远镜图像所能获得的最佳分辨率取决于望远镜的尺寸和观测光的波长。拥有液态水的行星发出的光波长最多，约为10微米（相当于人类头发的细长，是可见光典型波长的20倍）。在这个波长下，望远镜需要收集至少20米外的光，才能获得足够的分辨率，将地球与太阳的距离缩小到30光年。

此外，望远镜必须位于太空中，因为透过地球大气层观测会使图像过于模糊。然而，我们最大的太空望远镜——詹姆斯·韦伯太空望远镜直径只有6.5米，即便如此发射难度也相当大。

由于部署一台20米口径的太空望远镜在现有技术下似乎遥不可及，科学家们探索了几种替代方法。其中一种方法是发射多个较小的望远镜，使它们之间的距离保持极其精确，使整个望远镜系统如同一台大口径望远镜。但是，保持所需的航天器位置 精度 （必须精确校准到典型分子的大小）目前也不可行。

其他方案则使用波长较短的光，以便使用较小的望远镜。然而，在可见光波段，类太阳恒星的亮度是地球的100亿倍以上。即使理论上图像分辨率足够高，我们目前也无法阻挡足够的星光来观测这颗行星。

遮挡星光的一个方案是，在太空望远镜前方数万英里处，发射一个直径数十米、被称为“遮星板”的航天器，精确遮挡恒星发出的光线，同时不遮挡伴星发出的光线。然而，这个方案需要发射两艘航天器（一架望远镜和一架遮星板）。此外，将望远镜指向不同的恒星需要将遮星板移动数千英里，这将消耗大量的燃料。

论文中，工程师们提出了一个更可行的替代方案，使用与詹姆斯·韦伯太空望远镜大小相当、工作波长与詹姆斯·韦伯太空望远镜大致相同的红外（10 微米）望远镜，以及一个直径 1 米、长 20 米、而非 6.5 米圆形的镜面，可以发现围绕类太阳恒星运行的类地行星。

利用这种形状和尺寸的镜面，可以沿着望远镜镜面20米长的方向，将恒星与系外行星区分开来。为了在恒星周围的任何位置找到系外行星，可以旋转镜面，使其长轴有时与恒星和行星对齐。这种设计原则上可以在不到三年的时间内找到30光年内围绕类太阳恒星运行的所有类地行星中的一半。虽然这种设计需要进一步的工程设计和优化才能确保其性能，但与其他领先理念不同，它并不明显需要进行大量的技术开发。

如果平均而言，有一颗类地行星围绕着一颗类太阳恒星运行，那么我们就能找到大约30颗有希望的行星。对这些行星的后续研究可以识别出那些拥有大气层、暗示生命存在的行星，例如，通过光合作用产生的氧气。对于最有希望的候选行星，我们可以发射一个探测器，最终发回行星表面的图像。矩形望远镜可以为识别我们的姊妹行星——地球2.0——提供一条直接的途径。

编译自/scitechdaily