你见过长方形的太空望远镜吗？我们要用它来寻找“地球2.0”

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原作：Heidi Newberg

翻译：黄诗欣

校译：钟艺

编排：刘斯媛

后台：朱宸宇

https://phys.org/news/2025-08-circle-rectangle-earth-easier-telescope.html

这是矩形空间望远镜的概念设计图，模仿了衍射干涉冠状物体外星行星探测器（DICER，一个想象中的红外空间观测站）以及詹姆斯·韦布太空望远镜。图片来源：利夫·索尔迪/伦斯勒理工学院。

地球是宇宙中唯一已知有生命存在的星球，所有生命都依赖液态水生存。地球上的单细胞生命几乎与它同龄，但多细胞生命花费了约三十亿年才形成，而人类存在的时间甚至不到地球年龄的千分之一。

也就是说，包含液态水的行星诞生生命的几率挺大，但是要孕育出能研究宇宙并试图穿越太空的生命并非易事。为了寻找外星生命，可能我们必须去那里。

然而，太空广袤无垠，而我们无法超越光速进行旅行或者通讯，所以我们能探索的范围是有限制的。

即使用上太空探测器，人类的寿命也只能支撑我们探索离太阳最近的恒星。只有与太阳大小和温度相似的恒星，且寿命足够长、大气足够稳定，才能让多细胞生命有充足的时间形成。

因此，最有价值的研究对象是距离我们约30光年以内的60颗类太阳恒星。在围绕这些恒星运行的行星中，最有希望的就是那些大小、温度都与地球相似的，这样的话陆地和液态水都有可能存在。

大海捞针

与观察恒星相比，观察围着它转的类地行星是一个巨大的挑战。即使是在最理想的情况下，恒星的亮度也比行星高出一百万倍；如果两者刚好在视觉上混成一团，就没有希望检测到行星。

光学理论表明，望远镜图像的最佳分辨率取决于望远镜的大小和观测光的波长。

包含液态水的行星最常发出波长约为10微米的光（相当于一根头发的宽度，是典型可见光波长的20倍）。在这个波长下，望远镜需要用至少20米直径收集光，才能在距离30光年的情况下获得足够大的分辨率，来将地球与太阳分开。

此外，必须把望远镜放在太空中观测，因为地球大气会让成像非常模糊。然而，即便是詹姆斯·韦布太空望远镜的直径仅为6.5米，而且发射这台望远镜极其困难。

目前，部署一台20米的空间望远镜依旧是天方夜谭，所以科学家们提出了几种替代方法。

其中一种方法是发射多个小型望远镜，让这些望远镜互相保持极为精确的距离，就这样组合成一个大直径的望远镜。但是，维持所需的位置精度（必须精确校准到一般分子大小）技术上也像是天方夜谭。

另外一种方法就是使用较短波长的光，以便可以用较小的望远镜。然而，在可见光中，类似太阳的恒星的亮度比地球高出超过100亿倍。在这种情况下，尽管原则上图像具有足够的分辨率，但无法屏蔽恒星的光芒来观察行星。

一种屏蔽恒星光线的方法是让一个名为星荫（starshade）、宽度为数十米的航天器飞行，把它放在距离太空望远镜数万英里的地方，用它来准确阻挡恒星的光，同时不阻挡行星的光线。

然而，这项计划需要发射两台航天器（一个望远镜和一个星荫）。此外，望远镜观测别的恒星时将要将星荫移动数千英里，消耗大量燃料。

矩形视野

在《前沿天文学与空间科学》上发表的一篇论文中，天体物理学家提出了一个更可行的替代方案。

他们指出，一个与韦布大小相当，长1米、宽20米的矩形望远镜，在大致相同的红外波长（10微米）下，可以用来寻找上文所述的类地行星。

通过这种形状和大小的望远镜，他们可以利用20米长的镜面将恒星与行星分开。为了找到恒星周围的行星，镜子可以旋转，使其长轴与恒星和行星对齐。

该团队表示，这一设计原则上可以在不到三年的时间内，在30光年的范围内找到一半类太阳恒星周围的类地行星。虽然还需要进一步的工程和优化才能一瞥矩形望远镜的实力，但与其他方法相比，它对技术的要求没那么高。

如果平均每颗类太阳恒星有一颗类地行星，那么我们将找到大约30颗这样的行星。对这些行星进行进一步研究，我们就可以识别出那些提示生命存在的大气组成，比如通过光合作用形成的氧气。

天体物理学家表示，当我们锁定最有希望的候选行星，就可以发射探测器，拍摄行星表面的图像。矩形望远镜可以为我们寻找“地球2.0”提供一条直接的途径。

责任编辑：DAIKIN

牧夫新媒体编辑部

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图片来源：NASA

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