我们是孤单的吗？
有几个问题人类不断在根究，但在恰当的科学朝上进步呈现之前，几乎无法令人称心地答复。像如许的问题：
宇宙是什么？
它从何而来？
怎么会酿成如许？
它的最末命运是什么？
那些问题自古以来就陪伴着我们，然而，在 20 世纪和如今的 21 世纪，因为物理学和天文学的惊人朝上进步，那些问题末于得到了全面的谜底。然而，也许更大的问题——“我们在宇宙中是孤单的吗？”——仍然是一个谜。
固然现代的空中和太空看远镜能够带我们进进宇宙，但那是一个目前我们无法触及的问题。为了找到谜底，我们需要找觅到地系外行星：大小和温度与地球类似的行星，并围绕类似太阳的恒星运行，而不是像Proxima Centauri或TRAPPIST-1如许的红矮星。那些恰是美国宇航局新公布的旗舰使命的目标：宜居世界天文台。那是一个雄心壮志的项目，但十分值得。事实，发现我们在宇宙中其实不孤寂，很可能是整个科学史上更大的革命。
该动画展现了四颗超等木星行星间接在恒星四周的轨道上成像，其光线被称为HR 8799的日冕仪阻挠。那里展现的四颗系外行星是最随便间接成像的，因为它们的尺寸和亮度很大，并且它们与母星的间隔很大。对一颗间隔类太阳恒星仅~1天文单元运行的地球大小的行星停止成像是一个更大的挑战：2023年运行的天文台都没有才能探测到那一点。
(学分：Jason Wang（西北大学）/William Thompson（UVic）/Christian Marois（NRC Herzberg）/Quinn Konopacky（UCSD））
今天，我们觅觅外星生命的次要体例有三种。
那三种办法都有其长处和缺点，但大大都科学家认为，第二种抉择最有可能带来我们的第一次胜利。
假设生命需要与地球上类似的前提，我们很可能是太阳系中独一一个生命曾经开展、保存和富贵的世界。假设四周没有智能的、积极传布的文明，SETI将不会产生任何积极的成果。但是，即便存在类似地球特征的一小部门世界也有生命，系外行星研究也能够获得胜利，而其他两种抉择则不会。我们在研究系外行星方面已经走了很长一段路：我们在银河系内有超越5000颗已知的、已确认的系外行星，我们晓得大大都已确认其量量、半径和轨道周期。
展开全文
虽然已知超越5000颗已确认的系外行星，此中一半以上被开普勒发现，但在我们的太阳系中没有发现的行星的实正类似物。木星类似物，地球类似物和水星类似物在目前的手艺中仍然难以捉摸。
(学分：NASA/艾姆斯/杰西·多特森和温迪·斯坦泽尔;由E.西格尔正文）
不幸的是，那还不敷以告诉我们那些世界中能否有人栖身。觅觅外星生命，我们需要的不行那些。我们还需要晓得：
系外行星有大气层吗？
它有云、降水和气候周期吗？
它的大陆能否像地球上一样随季节而酿成绿色和棕色？
它的大气中能否有表示生物活动的气体或气体组合，它们能否像地球的二氧化碳程度那样展现出季节性改变？
今天，在施行那些丈量的最前沿是天基JWST和地基10米级看远镜，施行间接系外行星成像和凌日光谱。
不幸的是，那还不敷以实现我们的目标，即在类太阳恒星四周的类地轨道上丈量地球大小的行星的特征。关于间接成像研究，我们能够拍摄木星大小的行星的照片，那些行星比土星与太阳的间隔还要远：对气态巨行星有益处，但关于在岩石行星上觅觅生命来说不是那么好。关于凌日光谱学，我们能够看到通过红矮星四周超地球大小世界的大气层过滤的光，但类太阳恒星四周的地球大小的行星远远超出了当前手艺的范畴。
当星光穿过凌日系外行星的大气层时，签名就会被印上。根据发射和吸收特征的波长和强度，能够通过凌日光谱手艺显示系外行星大气中各类原子和分子物种的存在与否。JWST无法获得类太阳恒星四周地球大小行星的光谱，但宜居世界天文台最末会。
(图片来源：ESA/David Sing/PLAnetary Transits and Oscillations of stars （PLATO） 使命）
那是一个充满期看的初步，但假设我们期看最末胜利地找到和描述一个有人栖身的星球，我们需要在此根底上再接再厉。目前，我们正在建造下一代空中看远镜，迎来GMTO和ELT的30米级看远镜时代，并等待NASA的下一个天体物理学旗舰使命：南希罗马看远镜，它将具有与哈勃不异的才能，但具有卓著的仪器，视野是哈勃看远镜的50-100倍， 以及一种日冕仪，它使我们可以在母星的眩光下对行星停止成像，那些行星比JWST能看到的要暗约1000倍。
然而，即便有了那些朝上进步，我们也只能在比来的红矮星四周获得地球大小的行星，在类太阳恒星四周获得超等地球或迷你海王星大小的行星。为了成像一个实正的类地行星，需要一个具有更大才能的改进天文台。
值得高兴的是，我们的手艺并没有裹足不前，我们对发现和摸索的愿景也没有裹足不前。每个十年，美国国度科学院城市聚在一路概述天文学和天体物理学的更高优先事项，并提出定见做为十年查询拜访的一部门。提出了四个旗舰使命：
抱负情状下，在HabEx和LUVOIR的拟议才能之间，一个新的太空看远镜将足够大，能够间接对大量类地系外行星停止成像，同时仍然具有所需的特征，以使其连结在预算范畴内，不需要开发全新的，未经测试的手艺。
(图片来源：NASA/GSFC，LUVOIR 概念）
固然定见最末建造所有那四个，但更优先的使命是HabEx的放大版本，考虑到HabEx和LUVOIR的特征，构成宜居世界天文台。在许多方面，拟议的标准刚好在当前手艺的可行性、我们不晓得的发现潜力和成本效益之间的“更佳平衡点”，连系了从构建和启动JWST所履历的问题中吸收的体味教训。
到目前为行提出的标准十分令人鼓励，包罗：
分段光学镜设想，类似于JWST已经在利用的，
目前正在为罗马看远镜开发和测试的不异类型的日冕手艺，
最新的传感器，能够掌握各类镜段，实现~皮米级的不变性，
方案与将于 2030 年代末/2040 年代初飞翔的下一代火箭兼容，
方案在间隔地球~2万公里的L1拉格朗日点停止部件的机器人维修，
而且没有在开发/建立阶段之前尚未完全成熟的全新手艺。
那长短常令人鼓励的，因为它提出了一个可实现的方案，该方案其实不特殊随便遭到延迟和超收的影响，次要是因为需要开发全新的手艺，那些手艺在JWST推出之前困扰了多年。
探测和描述一颗实正的类地行星的大气层的前景，即一颗位于其恒星宜居带的地球大小的行星，包罗红矮星和更多类太阳恒星，是我们可以实现的。利用下一代日冕仪，大型紫外线 - 光学 - 红外使命能够找到数十个以至数百个地球大小的世界停止丈量。
(学分：美国国度科学院/Astro2020 十年查询拜访）
有了那些才能，宜居世界天文台将有一个极好的时机到达也许是天文学的圣杯：初次向人类显示一个实正有人栖身的星球。6.0至6.5米的设想尺寸与JWST相当，它应该可以间接成像地球~14光年范畴内所有恒星四周的地球大小的行星。在那个游戏中，每一点额外的曲径都很重要，因为假设你能把你能够看到行星的半径加倍，你就会增加搜刮量和预期的物体数量八倍。在太阳四周，有：
间隔地球9光年以内的10个恒星系统，
间隔地球22光年以内的12个恒星系统，
间隔地球40光年以内的15个恒星系统，
以及间隔地球95光年以内的20个恒星系统。
根据其方案的设想，宜居世界天文台能够间接对20到30颗类地行星停止成像。假设生命在类似地球的世界中有~百分之几的时机，那么那项使命将可以发现我们太阳系以外的第一个有人栖身的星球。也许，假设大天然是仁慈的，我们以至可能会发现不行一个。
那张图展现了太阳系以外以太阳为中心的比来恒星系统的位置。假设你能把半径加倍到你能看到和丈量的范畴内，你就包罗了八倍的体积，那就是为什么即便看到更远一点点的才能也会大大增加你找到特殊工具的时机，即便那是一种稀有的系统类型你正在觅觅。
(图片来源：Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons）
因为我们已经履历了开发许多前体手艺的痛苦，包罗与JWST一路利用的5层遮阳板，与JWST利用的折叠/分段镜面设想，以及罗马日冕仪中利用的可变形镜（目前正在用PICTURE-C停止测试，那是一个气球照顾的尝试），不该该有任何全新的或别致的工具能够像JWST那样绊倒宜居世界天文台。
然而，所有新的开展都有随之而来的风险。机器人办事的设法令人鼓励，因为我们以前做过机器人办事，但仅限于低地球轨道。在到L2的间隔，1万公里处，即便是以光速发送的指令也有5秒的往返延迟。维修将需要火箭手艺和目前不存在的主动化机器人手艺。
实现~皮米级镜瞄准是一项手艺挑战，需要远远超出当今可实现的~纳米级瞄准的朝上进步。固然那只需要对现有手艺停止渐进式改进，但需要为此投进大量资本，目前正做为设想和设想前阶段固有的“手艺成熟”历程的一部门加以投进。
一个纷歧定引起人们重视的一大担忧是目前设想的罗马日冕仪能否合适宜居世界天文台。JWST日冕仪的表示完全契合预期，使我们可以找到和成像那些亮度仅为10万分之一的行星，就像它们的母星一样。南希罗马看远镜估量比JWST进步1000倍，因为他们的可变形日冕镜正在优化，以处置从完美的圆形日冕仪外形呈现的干预图案和杂散光。
然而，有一个问题：南希罗马看远镜的日冕仪比JWST的性能好得多的原因之一是因为JWST有一个分段设想的平坦镜，而南锡罗马看远镜将有一个单一的圆形整体镜子。JWST镜子的外形是为什么它的所有恒星和亮堂的点光源四周都有“雪花状”的衍射图案：那只是其光学几何外形的数学成果。
詹姆斯韦伯太空看远镜（JWST）的点扩散函数，正如2007年的一份文件所揣测的那样。六边形（非圆形）主镜的四个因素由一组 18 个平坦六边形构成，每个六边形之间有 ~4 毫米的间隙，并带有三个支持收柱将次镜固定到位，所有那些都是为了创建不成制止的一系列尖峰，那些尖峰呈现在用 JWST 成像的亮点源四周。那种形式被许多JWST的仪器科学家亲热地称为“噩梦雪花”。
(图片来源：R. B. Makidon， S. Casertano， C. Cox R. van der Marel， STScI/NASA/AURA）
但日冕仪素质上是圆形的，不克不及随便“消弭”从任何尖利边沿引进的杂散光，包罗：
六角形瓷砖，
镜子外边沿的“角”，
以及各个段之间的~毫米大小的“间隙”。
与JWST的设想类似，那似乎是宜居世界天文台要处理的一个十分大的问题，特殊是因为它需要在10亿分之一的程度上胜利的日冕仪来拍摄类似太阳恒星四周的类地世界：比罗马日冕仪还要好100倍。
那位艺术家的概念展现了与星罩对齐的太空看远镜的几何外形，那是一种用于阻挠星光的手艺，以显示围绕该恒星运行的行星的存在。在数万公里之外，星罩和看远镜必需实现并连结完美瞄准，以实现间接系外行星成像。与日冕仪比拟，星影的光学系统更胜一筹，但在任何给定的时间内能够探测到的恒星系统要少得多。
(学分：美国宇航局/JPL-加州理工学院）
一个潜在的处理计划是，与宜居世界天文台一路发射一颗恒星遮光罩，或者以至在那之后，在恒星抵达宜居世界天文台的主镜之前阻挠恒星的光线。固然那在手艺上是可行的，但它既高贵又有效；每当它想要转换目标时，它必需相关于天文台行进约80000公里。总而言之，它可能有助于每年拍摄一两个系统的图像，但那是上限。
也许应该考虑的一个疯狂的处理计划不是建造一个传统的分段镜，而是一系列的圆，类似于正在建造的巨型麦哲伦看远镜的光学设置。它有七个完美的圆而不是18+个平坦的六边形，它具有所有七个圆组合的面积的聚光才能，但主反射镜安拆曲径的辨认率。摘用那种设想：
消弭了类似JWST设想的所有杂散光问题
已经开发的可折叠主镜手艺仍然能够利用
正在跨镜面开发的皮米级不变性手艺仍将适用
而不是单个次镜和/或单个日冕仪，七个部门中的每一个都能够获得本身的，
并且，做为奖励，不需要电线穿过主镜光学器件，因为副镜能够用导线固定到位，那些导线穿过圆形段的间隙之间：那恰是为什么巨型麦哲伦看远镜将成为第一个没有衍射尖峰的世界级天文台。
25米高的巨型麦哲伦看远镜目前正在建立中，将成为地球上更大的新空中天文台。蜘蛛手臂将次镜固定到位，颠末特殊设想，使它们的视线间接落在格林尼治原则时间镜子的狭隘间隙之间，创造出宇宙的视图，没有镜子的尖角或恒星四周的衍射尖峰。假设适用于即将到来的宜居世界天文台，那种设想可能是革命性的。
(图片来源：巨型麦哲伦看远镜/GMTO Corporation）
通过准确的设想和实现，我们能够看到一个宜居世界看测站：
最早在 2030 年代末/2040 年代初推出，
那是按预算和准时，
拥有需要的架构来实现其看测目标，而无需星罩，
完全可加油，其仪器完全可维修和改换，
在将来的任何时候都能够添加星罩，
那很可能成像足够多的“类地”行星，以发现至少一颗（以至不行一颗）现实栖身的系外行星。
在设想那架看远镜时，需要处理的一个大问题是，在它能够间接成像几个类似地球的候选看远镜与看远镜有多大、多高贵之间停止权衡。固然6到7米的范畴似乎是更佳点，但噩梦般的场景是我们建造那个天文台有点太小，成本守旧，无法找到我们最末觅觅的工具：一个有人栖身的外星球。
我们必需记住，在觅觅地球以外的生命时，我们正在玩一种赔率未知的彩票。我们成像和描述的每个类地行星都代表一张彩票：一张彩票，所有奖品的赔率都是未知的。我们胜利的时机完全取决于哪些彩票是赢家，以及我们能否购置了足够的彩票。困难的部门是，在宜居世界天文台的发现出来之前，我们不会晓得那些几率现实上有什么有意义的限造，所以那取决于我们以如许一种体例构建它，即我们至少胜利的几率尽可能大。假设我们如许做了，我们可能最末会得到“我们在宇宙中孤单吗？也许，我们会必定地晓得谜底是，“不，还有其别人。
来自：西塘少主