HWO新仪器助力发现邻近类地行星，探索宇宙新奥秘

宜居世界天文台（HWO）计划成为下一个世界级天文台。它的主要任务是寻找至少25颗类地外行星大气中的生物特征。然而，仅靠一个日冕仪（目前计划的主要仪器），无论它多么强大，都需要付出相当大的努力。

正如格勒诺布尔阿尔卑斯大学的法比安·马尔贝特及其合著者的新论文所建议的那样，改进方案是为HWO增加一个第二仪器，能够以0.5微弧秒（µas）的精度跟踪行星。这将使HWO能够探测到数百颗附近恒星周围的地球大小的行星——大幅增加大气分析的潜在候选者数量。该论文已在 arXiv 预印本服务器上 发布。

目前，已知在65光年内的类太阳恒星中，只有12%拥有行星——而且这些行星都是气体巨星。我们在自己的太阳系附近没有发现任何岩石类外行星，但这并不意味着它们不存在。更有可能的是，这些行星的信号在像盖亚这样的任务中被噪声淹没。

其实，盖亚是我们目前拥有的最先进的行星探测器，但它的最高精度在20–30微弧秒的数量级。这仍然比检测类似地球的行星所需的精度高出几个数量级，即使是在距离较近的恒星周围。

HWO，配备建议的额外天文测量仪器，将比盖亚精确400–600倍，使其能够发现外类地行星，这些外类地行星可以成为盖亚冠状仪进一步探索的重点。要达到这种精度水平，需要两样东西：一个真正先进的校准器和大量的图像。

天文测量传感器并不是什么新鲜事——我们已经用它们发现外行星几十年了。它们测量恒星在被轨道行星引力作用下的“摇摆”。仪器越精确，它能够看到的“摇摆”就越小，这对应于较低的行星质量，比如地球与木星的比较。与其他外行星探测技术相比，它具有显著优势，因为它可以让天文学家计算外行星的完整轨道和绝对质量。

然而，天文测量仪器有一个弱点——它们容易出错。这种错误可能由多种原因造成，比如探测器的不完美或镜子的轻微偏差，但总体来看，这些错误会累积，显著影响仪器的精度。

为了应对这一问题，作者建议了一种称为“探测器校准单元”（DCU）的技术。该工具将在构成天文测量仪器的CMOS传感器上产生一系列明暗条纹，使其能够在小错误变成大错误之前进行隔离和修正。它使研究人员能够校准CMOS视场中每个像素的确切位置，以确保多张图像的稳定性。

这些多张图像是天文测量的第二个关键要素。Malbet博士及其团队估计，HWO在其3-4年的操作生命周期内必须对一个个体进行超过100次的单独测量，以达到完全确认一个行星所需的精度。这个高数字是必要的，以确保任何未被DCU修正的随机错误不会对最终结果产生过大影响。通过结合数百张图像，任何可能存在的其他随机错误都会相互抵消。

这项新技术的一个额外好处将在一个全新的天体物理学领域——它可以测试冷暗物质（CDM）的一种主流理论。CDM理论预测，在星系中心存在“尖状结构”的暗物质，但收集的数据表明，尽管在这些中心存在暗物质，但它们的形状更像是“核心”。

在“尖状结构”中，暗物质的密度会因暗物质的引力会将更多的暗物质吸引过来而在星系中心附近急剧增加。另一方面，在“核心”中，星系中并不一定存在暗物质密度的激增，因为暗物质是相对均匀分布的。

HWO的新天文仪器可以捕捉到暗物质“尖状结构”产生的微小波动，因为它们会透镜效应下经过它们的光线。这可以为可能导致这些平坦暗物质盘形成的原因提供宝贵的见解——无论是超新星爆炸，还是暗物质本身的某些独特特性。

这篇论文并不是第一次提出这个想法——马尔贝特博士在提亚任务提案中也是一个重要角色，该提案采用了相同的基本理念，但本来应该作为一个独立的任务发射。提亚团队已经在这个概念上工作了多年，因此将其与HWO结合起来似乎是一个合理的选择，尤其是因为这可以增强天文台的主要任务。

毕竟，HWO是可居住世界天文台，其主要任务是寻找可居住的世界。任何能够帮助实现这一目标的工具，甚至是能缩短时间的工具，都是受欢迎的。考虑到已经投入大量精力开发的精密天文仪，不利用它在某个平台上最终使用似乎是一种浪费。

HWO的开发计划在2030年代才会真正开始，而且可能要到2040年代才会发射，因此仍然有充足的时间来实施这一改进。现在就看项目经理是否会让这个项目的雄心与需求相匹配。