来源：环球科学

NGC 5468星系。图片来源：NASA, ESA, CSA, STScI, Adam G. Riess (JHU, STScI)

撰文｜安迪·托马斯威克（Andy Tomaswick）

来源｜universetoday.com

翻译｜陈子鹏

审校｜王昱

搜寻宜居系外行星的工作需要花费数十年时间，应用新技术和创造新想法。许多工作似乎都围绕着宜居世界天文台（Habitable Worlds Observatory，以下简称HWO）展开，这项任务尚在提议阶段，预计将于21世纪40年代初发射，它能对潜在的宜居世界进行直接成像，并且非常重要的是能直接探测这些星球具有的物理特征，以证明它们是否能拥有生命。瑞士太阳研究学院（ISROL）的斯维特拉娜·贝迪乌吉娜（Svetlana Berdyugina）带领欧洲和美国外星生物学专家，撰写了一篇新论文详细介绍了HWO的观测计划，只要HWO找到一颗符合一切标准的星球，它就能证明地外生命的存在。

宜居世界天文台的艺术概念图。图片来源：NASA / Jonathan North / Walt Feimer / Aaron E. Lepsch

HWO及其观测计划是美国国家研究委员会2020年度天文和天体物理学十年调查报告（Astro2020）的内容之一。该报告显示，人类越发有兴趣找到一颗宜居系外行星，明确回答“我们在宇宙中是孤独的吗？”这一问题。但想要做到这一点，需要诸多技术进步和大量资金。

HWO最重要的两个组件分别是星冕仪，阻挡恒星的光线，同时允许系外行星的光线进入望远镜的光学结构；以及偏振仪，用以检测光在太空中传播时的振动方式。虽然过去的空间望远镜很多都搭载过这些仪器，但HWO从头开始设计将二者结合，专门针对宜居系外行星，这将使它比现有的空间望远镜更有能力完成预期的任务。

HWO本身仍处于研发阶段，科学家预估它的制造成本在百亿美元量级。然而虽然这一投入似乎十分昂贵，但产出的将是一台在解答生命中最根本的问题上能力无与伦比的空间望远镜。这篇新论文阐述了它将如何做到这一点。

它提出了一个4阶段的观测计划。首先是搜寻潜在的宜居星球。其次是尝试确认这些世界是否有“生机”。而后HWO将尝试绘制这些世界的更详细的地图，可能能给出水面与陆地占比、云层覆盖范围的详细比例值。最终是测量是否存在我们所知的能够指示生命的同手性分子。

寻找潜在的宜居星球不仅仅只是HWO的职能。JWST以及其他空间望远镜也已开始搜寻，并并将处在其他恒星的宜居带中的候选行星编纂进列表。HWO可以进一步为此做出贡献，因为它集成了日冕仪和偏振测量功能。

HWO的工程架构概念图（EAC）。从右到左，这些分别是EACs 1、2 和3。EAC-1 是一个6米的分段式离轴望远镜。EAC-2与之相同，但使用了圆形主镜片和周围的分镜片。EAC-3是一个8米的轴上望远镜，带有圆形分镜片。每个模型都有一个可伸缩的镜筒（此处未显示），用于保护其镜面免受微陨石撞击。图片来源：NASA Goddard/Conceptual Image Labs

下一步寻找“有生机的世界”，这主要意味着寻找叶绿素等“生物色素”。具有生物色素的行星具有独特的偏振光模式，HWO能直接探测到这些偏振光，而现有望远镜搭载的仪器仅能简单观测行星整体。

一旦找到了一个有生机的世界的候选者，下一步是绘制星球表面的地图。我们在最近的其他文章中探讨了绘制高分辨率表面图的复杂性，但至少在理论上，HWO可以绘制遥远宜居系外行星的极低分辨率的地图，并帮助绘制出陆地、海洋和任何可能被光合作用生命形式覆盖的地方之间的差异。

但这只是观测流程中的第三步，最后一步才最为关键——寻找手性分子。在天体生物学界，手性被认为是证明另一个星球上存在生命的确凿证据。地球上的所有生命都由同手性分子构成，这意味着根据其自身折叠蛋白质的方向，生命要么是“右手的”，要么是“左手的”。

对HWO来说重要的是，手性分子的存在意味着它会在偏振光中产生信号，特别是在名为“圆偏振”的偏振类型中最容易被认证。在这种偏振类型中，光的振荡方向围绕传播方向以圆形旋转，取决于分子的手性方向可能呈顺时针也可能逆时针。HWO尤其能够检测到这些信号，即使它们非常非常微弱（占整个光谱信号的0.1%）。然而，这些微弱的信号预计会显示出非常清晰、狭窄、在光谱上独一无二的迹象，这些迹象仅由生物分子引起，而不是其他更一般的过程，如光的散射或在金属表面的反射，也可能会产生圆偏振。

至少根据这篇论文，如果HWO确实发现了这样的信号，这将是那个世界上存在的生命的确凿证据。不过尤其在近年来大体量观测任务的预算削减严重的背景下，HWO是否能实现这样的观测能力仍是未知数。但如果该项目按计划和预算案顺利执行，几十年后，我们可能会首次看到系外行星的生物圈，彼时的世界又将有所不同。