矩形红外望远镜有望 3 年内发现 30 光年内半数类地行星

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，而所有生命的存续都高度依赖液态水 —— 正是液态水为化学反应创造了必要条件。虽然单细胞生命几乎与地球本身一样古老，但多细胞生命的形成却花了大约 30 亿年的时间，人类存在的时间还不到地球年龄的万分之一。

这一切似乎表明：在存在液态水的行星上，生命或许并不罕见；但像人类这样能够研究宇宙、渴望开展星际旅行的生命，却可能极为稀少。若想找到地外生命，或许我们终将主动踏上星际征程。

然而，宇宙的浩瀚无垠，再加上“无法以超光速进行旅行或通信”这一物理限制，为人类的星际探索划定了现实边界。即便是依靠太空探测器，在人类的有生之年，也仅能抵达离太阳最近的几颗恒星。此外，只有与太阳大小、温度相近的恒星，才具备足够长的寿命与稳定的大气层，能为多细胞生命的演化提供充足时间。正因如此，距离地球约 30 光年以内、与太阳相似的 60 余颗恒星，成为了最具研究价值的观测目标。而围绕这些恒星运行的行星中，最有希望存在生命的，是那些大小与温度接近地球的星球，唯有这样，才可能出现固态地表与液态水。

如同“大海捞针”的观测难题

据IT之家了解，要将类地系外行星与其环绕的恒星区分开来单独观测，难度极大。即便在最佳观测条件下，恒星的亮度也比行星高出 100 万倍；一旦二者的影像重叠模糊，探测行星便无从谈起。光学理论表明，望远镜成像的最高分辨率取决于两个因素：望远镜的尺寸，以及观测光线的波长。

存在液态水的行星，在波长约 10 微米（大致相当于一根细发丝的直径，是可见光典型波长的 20 倍）的波段发光最强。若要在 30 光年的距离上，通过这一波段将地球与太阳的影像区分开，望远镜的集光口径至少需要达到 20 米。不仅如此，望远镜还必须部署在太空中 —— 因为地球大气层会严重模糊地面观测的影像。但目前人类最大的太空望远镜“詹姆斯・韦布太空望远镜（JWST）”，直径仅为 6.5 米，而且发射这台望远镜已经极为困难。

鉴于现有技术尚无法造出 20 米口径的太空望远镜，科学家们探索了多种替代方案。其中一种思路是发射多台小型望远镜，通过精确控制它们之间的距离，让整个观测系统等效于一台大口径望远镜。但问题在于，这种方案要求航天器的定位精度达到“分子级”，目前的技术根本无法实现。

另一些方案则考虑使用更短波长的光线，以减小望远镜的口径需求。但在可见光波段，类太阳恒星的亮度会比地球高出 100 亿倍以上。即便理论上能达到足够的成像分辨率，以人类当前的技术，也无法屏蔽掉足够多的恒星光芒来观测到行星。

还有一种“遮星”思路：在太空望远镜前方数万英里处，部署一台直径数十米的“遮星伞”航天器，其能精准遮挡恒星光线，同时让行星发出的光线顺利进入望远镜。但这种方案不仅需要同时发射望远镜与遮星伞两台航天器，更关键的是，若要观测不同恒星，遮星伞需移动数万英里，所需燃料量极大，根本不具备可行性。

矩形望远镜：更具可行性的新方案

在伦斯勒理工学院的天体物理学家海蒂・纽伯格（Heidi Newberg）教授发表的研究论文中，提出了一种更易实现的替代方案：使用一台与 JWST 尺寸相近、同样工作在 10 微米红外波段的望远镜，但将其镜面从 6.5 米直径的圆形，改为 1 米 ×20 米的矩形。

凭借这种形状与尺寸的镜面，望远镜能在“20 米长边”所指的方向上，将恒星与系外行星的影像区分开。若要观测恒星周围任意位置的行星，只需旋转镜面，让其长边与“恒星 - 行星”连线对齐即可。其研究表明，理论上，这种设计能在 3 年内找到 30 光年范围内、围绕类太阳恒星运行的半数类地行星。尽管该设计还需进一步的工程优化才能确保性能，但与其他主流方案不同，其不存在需要突破重大技术瓶颈的硬性要求。

若平均每颗类太阳恒星周围都有一颗类地行星，那么通过这种望远镜，我们有望发现约 30 颗极具潜力的候选行星。对这些行星的后续研究，能帮助我们识别出那些大气层中存在“生命信号”的星球 —— 例如，通过光合作用产生的氧气。对于最有希望的候选星球，我们甚至可以发射探测器，最终传回其地表影像。这款矩形望远镜，或许能为人类找到“地球 2.0”—— 我们的“姊妹星球”—— 开辟一条清晰可行的道路。