当谈到建造巨大、复杂的太空望远镜时，美国宇航局等机构必须提前做好计划。尽管詹姆斯·韦伯太空望远镜最近才发射，但天文学家已经在忙着思考韦伯太空望远镜之后会发生什么——并且他们已经制定了雄心勃勃的计划。
未来几十年天文学研究的宏伟计划是寻找宜居行星，甚至可能寻找地球以外的生命迹象。这是宜居世界天文台的崇高目标，该太空望远镜目前正处于规划阶段，旨在发现类日恒星周围的 25 颗类地行星。
我们采访了两位致力于下一代太空望远镜计划的科学家，以了解更多信息。
直接成像的力量
寻找太阳系以外的宜居行星的一大挑战是：我们很少能真正直接看到这些遥远的行星，因为与恒星相比，行星是如此之小和昏暗。因此，为了识别系外行星，天文学家通常根据其对其宿主恒星的影响来推断其存在。目前，像哈勃或詹姆斯·韦伯太空望远镜这样的工具通常会寻找行星经过恒星前方时恒星亮度的下降（称为凌日），或者寻找由行星引力引起的恒星晃动，称为径向速度法。
这些方法为我们提供了线索，但要真正深入了解系外行星，我们需要能够直接对它们进行成像。目前的望远镜很少能够做到这一点，因为它需要如此高的精度，但科学家们已经在计划开发下一代能够拍摄系外行星图像的太空望远镜。
下一个发射的大型太空望远镜是南希·格雷斯·罗马太空望远镜，计划于 2027 年发射。它将对天空进行勘测，以估计那里有多少颗宜居系外行星。之后是宜居世界天文台，这是一座计划中的太空望远镜，将直接对类日恒星周围的类地系外行星进行成像，预计将于 2040 年左右发射。这将是迄今为止我们发现类地宜居行星的最佳机会我们可以在这些世界中寻找地球以外生命存在的证据。
选择正确的波长
如果您关注过有关詹姆斯·韦伯太空望远镜的新闻，您可能听说过它观察电磁波谱的红外部分。这对于研究最早星系的目标至关重要，因为它使科学家能够看到具有高红移水平的星系。红外线对于透过尘埃云和查看原本隐藏的结构也很有用。
然而，宜居世界天文台的计划是观察光学和紫外线波长。这些波长可用于识别特定原子（例如氢或氧）的特征，因此我们可以将仪器指向行星并了解其大气层的组成。
对于我们可以寻找的特定原子或化合物有各种各样的选择，但氧气是目前所谓的生物标记物或表明生命潜在存在的线索的主要选择。在遥远的行星上发现氧气可能表明它值得进一步检查。
“不存在完美的生物标志物特征，”约翰·霍普金斯大学的戴维·辛 (David Sing) 说，因为我们也可以寻找像甲烷这样的原子，并且总是存在误报的可能性，“但氧气是一个非常重要的特征。”
氧气也会发出非常强的信号，这使得它相对更容易被检测到。特别是臭氧——它是由三个原子结合在一起的氧的变体——在紫外线波长中具有非常强的特征。想想地球上的臭氧层如何保护我们免受来自太阳的紫外线辐射，您就会看到如果科学家看到特定波长的紫外线被阻挡，他们如何推断出遥远行星上存在臭氧。
如何建造光学/紫外望远镜
由于其重点关注光学和紫外线波长，宜居世界天文台将更类似于哈勃太空望远镜，而不是詹姆斯·韦伯太空望远镜。这在如何建造望远镜方面带来了一些优势。
像韦伯这样的红外望远镜对温度非常敏感（因为当物体变热时，它们会发出红外辐射）。因此，为了准确工作，某些仪器需要将韦伯冷却到只有几个开尔文的极低工作温度。这使得望远镜的建造更加复杂和昂贵，因为它需要低温冷却系统。
对于像宜居世界天文台这样的望远镜来说，不需要这种极端的冷却，这有助于降低成本。
韦伯等红外望远镜与宜居世界天文台等光学/紫外望远镜之间的另一个主要区别是镜子。韦伯的主镜镀有金色，可以很好地反射红外光。但光学/紫外线望远镜的镜子涂有银，可以更有效地反射这些波长。
新十年的新技术
在某些方面，我们已经确切地知道寻找宜居世界需要什么样的仪器，因为这些是对现有仪器的更新，而不是全新的概念。
例如，宜居世界上的仪器将与詹姆斯·韦伯或哈勃上的仪器有些相似，因为它们将由相机和摄谱仪组成。这些相机将用于寻找其他恒星系统中的系外行星，一旦识别出一颗行星，就可以使用光谱仪对其进行更深入的研究。光谱仪的工作原理是将入射光分成不同的波长，以查看哪些波长被吸收。这告诉你你正在观察的物体是由什么组成的——这就是你如何了解系外行星是否有大气层，以及大气层是由什么组成的。
改进这些仪器并使其更加准确并非易事。除了直接探测之外，下一代太空望远镜还将使用径向速度等技术来识别系外行星。更精确的摄谱仪将使诸如极其精确的径向速度之类的技术成为可能，从而可以更准确地测量绕类太阳恒星运行的系外行星的质量。
但还需要更多的理论进展。例如，提高我们对系外行星的了解所需的一个主要因素是提高我们对恒星的了解。由于各种原因，恒星可能会变得更亮或更暗，如果我们想确定变化是由系外行星的存在引起的，还是由恒星的变化引起的，我们需要能够更准确地对此进行建模。
寻找宜居性
然而，即使拥有配备全新技术的全新望远镜，寻找太阳系以外的生命也不是一件简单的事情。这是因为宜居性是一个复杂的概念，需要的不仅仅是识别围绕类太阳恒星运行的类地行星。
“一颗行星的亮度看起来与地球大小的行星差不多，在我们所说的宜居带内有一个大致圆形的轨道，显示出一些水蒸气的证据，也许还有一些氧气，没有内部巨行星俄亥俄州立大学的斯科特·高迪说：“这已经搅乱了事情，这颗恒星并不太活跃——这就是我们希望找到的那种系统，作为潜在宜居行星的候选者。”
高迪说，尽管想象这样一个场景：我们建造这台望远镜，找到一颗宜居行星，然后立即探测到生命，但事实并非如此。
为了正确地寻找适合居住的系外行星，“我们确实必须了解整个背景，这意味着研究系统中的其他行星、碎片盘、研究恒星，”高迪说。 “这将真正帮助我们了解这些行星是否真正适合居住。”
高迪说，人们很容易想象“我们要建造宜居世界观测站，我们要找到生命，我们就完成了”，但“这是行不通的。如果幸运的话，我们将找到一两个，也许三个，看起来很有前途的系统。然后我们将不得不建造一些更大、更好的东西。”
几代人的努力
即使我们能够找到具有潜在宜居类地世界的理想系统，那么下一步将是研究更高级的因素，例如地球有多少面积被海洋覆盖以及有多少面积被海洋覆盖。是陆地质量。寻找生命并不是短期内就能解决的问题，但科学家们现在正在为宜居世界观测站奠定基础，以便在 20 年后承担下一部分工作。
这类似于 2000 年左右开始规划詹姆斯·韦伯太空望远镜的方式，而今天的科学家才刚刚开始能够使用这个工具进行发现。
“几十年前，我只是一个年轻的学生。但我已经从当时人们所做的所有辛勤工作中获得了回报，”辛说。 “那一代科学家有这种感觉，因为人们用哈勃太空望远镜为他们做到了这一点。因此，您将获得资深科学家 20 年前所做工作的成果。而且你希望确保这一传统在 20 年后仍能延续。”
因为想知道地球之外是否存在生命是当今科学面临的最深刻的问题之一，而且它不会很快得到解决。宜居世界天文台是这一旅程的下一步，但它不会是终点。
高迪说：“这是我们几代人、甚至可能是几个世纪的努力。” “我认为我们应该对这个过程持乐观态度，但我们也应该保持谦虚。”