拍摄地球双胞胎所需的光学工程：未来系外行星探测的挑战与解决方案

美国 - 艾赫巴里通讯社

拍摄地球双胞胎所需的光学工程：未来系外行星探测的挑战与解决方案

随着宜居世界天文台（Habitable Worlds Observatory - HWO）从理论设计转向物理实现，为这一未来太空望远镜定义精确技术要求的研发工作正在加速。该天文台代表着实现发现可能孕育生命的系外行星这一长期目标的一大飞跃。在此背景下，美国宇航局戈达德太空飞行中心的研究人员发布了一项新研究，强调了一个关键的工程方面：确定望远镜必须瞄准的最佳红外波长，以区分生命指示性气体。这一科学探索对于识别我们太阳系以外潜在宜居世界至关重要。

红外波长的重要性在于它们能够捕捉被认为是潜在生命信号的多种分子的独特光谱特征。这些特征，特别是与二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等气体相关的特征，对于天体生物学家来说，在他们试图理解其他行星是否可能适宜居住的努力中至关重要。然而，利用这些波长会带来重大的工程挑战：需要对观测系统进行极端冷却，以消除仪器本身产生的热噪声，否则这些噪声可能会掩盖来自遥远大气的微弱信号。这一要求在历史上增加了太空红外天文台的复杂性和成本。

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）是另一台先进的红外望远镜，它通过一个复杂且极其昂贵的低温冷却系统解决了这个问题。该系统是 JWST 项目经历重大延误和预算超支的主要原因之一。HWO 的设计者希望避免类似的命运，因此他们正努力设计一个能够绕过复杂低温冷却机制的系统。这种设计理念旨在使 HWO 更易于访问且更具成本效益，从而实现其成功部署和运行。

然而，放弃低温冷却会带来其他重大挑战，尤其是光谱重叠（spectral overlap）问题。二氧化碳和甲烷都是引人注目的生命信号，它们的共存可能特别具有指示性。类地行星上相对缺乏二氧化碳可能强烈表明存在海洋和活跃的生物圈，类似于地球，在那里它被大量吸收。反之，甲烷的丰富可能表明存在一个持续的来源，可能是有机来源，因为它容易在大气中分解。这些气体之间的相互作用提供了对行星宜居性的细致描绘。

这些气体的组合——一个拥有丰富甲烷但明显缺乏二氧化碳的星球，或者在缺氧条件下两者都存在——可能代表着生命的“确凿证据”。然而，由于它们的光谱特征重叠，同时观测这些气体对许多望远镜来说是一个挑战。新的研究表明，高水平的甲烷会严重掩盖二氧化碳的探测，因为甲烷的光谱特征会“饱和”二氧化碳本来可以清晰显示出来的光谱区域。这种光谱干扰是 HWO 光学工程必须克服的关键障碍。

为了解决这个问题，研究人员采用了一种名为“系外行星遥感生命信号识别贝叶斯分析”（Bayesian Analysis for Remote Biosignature Identification of exoEarths - BARBIE）的统计模型。他们模拟了包括地球和金星不同演化阶段在内的各种行星情景的光谱特征，以评估 HWO 区分这些气体能力。这项技术上题为“BARBIE IV”的研究，是早期分析 HWO 光谱灵敏度不同权衡的论文系列的一部分。BARBIE 框架为在各种观测限制下评估生命信号检测的可行性提供了强大的方法。

这项分析最关键的成果是为 HWO 的红外传感器设定了一个上限探测限值。该限值旨在无需庞大的冷却系统即可运行，同时允许在无需极长观测时间的情况下，合理地区分二氧化碳和甲烷。带宽的“最佳点”确定为 1.52 微米（µm）。考虑到 20% 的带宽窗口，这意味着望远镜本身的上层探测极限将被限制在 1.68 微米（µm）。这一精确规范对于指导光学设计和仪器选择至关重要。

所有重大项目在真正启动前都需要明确可定义的 требованиям，而这一光谱上限代表了 HWO 实现这一目标的重要一步。消除对低温冷冻系统的需求也将大大简化系统的工程设计，使技术重点能够转向确保这项工程奇迹能够正确观察其目标所需的复杂光学和日冕仪技术。如果 HWO 能够如期在 2030 年代发射，并捕捉到潜在宜居系外行星的证据，那么这在一定程度上要归功于这些精确定义了系统能力和局限性的基础研究。

艾赫巴里通讯社