s在夏威夷的莫纳克亚山，当明亮的夜空中耀眼的星星投下阴影时，天文学家奥利维尔·盖恩(Olivier Guyon)离开了他的工作台和电脑屏幕，走出了8米高的斯巴鲁望远镜(Subaru Telescope)，品味着天空的美好。盖永开始看星星的习惯大约是在他第一次决定成为一名天文学家的时候，那时他还是一个法国东北部农村的小男孩。17岁时，他建造了自己的第一个望远镜，一个半米长的多布森望远镜，他今天仍然偶尔使用。盖恩在大学期间一直在看星星，然后在巴黎大学读研究生，在夏威夷大学读博士。但如今，年近40的盖恩，深色头发边缘有一缕缕银丝，他几乎抽不出时间了。他偷偷地瞥了一眼天空，眼睛睁得大大的，有那么一会儿，他好像又变成了一个男孩，第一次被星星迷住了，然后他低下眼睛，走回屋里，又变成了一个成熟的天文学家，因为他的工作太投入了，没有时间去偶尔看星星。
作为一名天文学家，Guyon对地球的系绳一直是脆弱的，但自从他开始在夏威夷昴星望远镜和Tucson的亚利桑那大学分离，他是一位教授以来，它变得越来越陈旧。有几个星期，他在空中飞行的时间比在地面上多，来回飞越太平洋。如果他有时差，他就把它藏得很好，他的雇主认为他的工作很有价值，不抱怨他的过路费和麻烦。大洋两岸的同事们都知道他穿着夏威夷衬衫，面带轻松的微笑，还有他那种既沉默寡言又健谈的奇怪倾向。开始一段关于天气的对话，盖恩可能倾向于单音节，但他会深入研究他的作品，他的法语口音的单词开始没精打采地源源不断地流出，就像水擦过的鹅卵石沿着河床翻滚一样。
在接受麦克阿瑟基金会的2012次采访后，他给了他500000美元的“天才”奖学金之一，Guyon特征性地说：“当你在夜晚看天空的时候，你看到的每一颗星星都是另一个太阳。”他的资本化是隐含的，这是一种恭敬的表达，它传达了一个深刻的现实，即头顶上的每个闪烁的恒星点，就像我们自己的太阳一样，是一个光热轨迹，为众多行星提供了光热，它们的轨道尚未封闭。迄今为止，天文学家仅直接拍摄了太阳系以外的十几颗行星的图像，每颗行星都太大太过剧烈，无法与地球接近，也无法维持我们所知的生命。然而，在数十亿颗尚未被发现的行星中，有些可能与地球非常相似，在恒星的“可居住区”内运行，即我们所知的恒星周围区域，对生命来说既不太热也不太冷。
我们之所以看不到这些世界，是因为像我们这样的行星非常微弱，而且离它们更亮、更大的母恒星非常近。人们认为，围绕着一个具有代表性的附近恒星样本对它们进行成像和研究，可能需要一个非常大的太空望远镜，一个直径可能为8米的集光孔径的望远镜，它位于地球扭曲的大气层之上。没有人能确切地说这样一个望远镜需要花费多少钱，但一般的估计是50亿美元甚至100亿美元，这使得太空机构在乐观地说，到2030年之前都要把这类项目搁置起来。
像斯巴鲁和他们之前的亚利桑那大学一样，麦克阿瑟瑞特来了，因为Guyon位于一个缓慢缓慢的光学科学革命的前沿，可以用大约一半大小的太空望远镜来揭示一些隐藏的世界，因此，希望是一半的成本。事实上，如果附近的大多数恒星在其宜居区内都有岩石行星，Guyon的工作可能会提供一条降低成本的途径，让下一代超大地面望远镜成为可能以成像一些最近的候选者，并研究它们的宜居性和生命迹象。
盖恩说：“我的目标是向所有人表明，这样做不需要几十年。”。“事实上，我们很快就可以拍摄和研究一些可能适合居住的行星。我们应该致力于这项技术，并计划将这一可能性变为现实。”
与其他天文学家不同，盖恩试图残酷地压制恒星的光，用精湛的光学暴力湮灭恒星的光。
如果你能想象自己坐在屋顶在纽约市,透过望远镜旨在一个蚊颤动的街灯在洛杉矶,你可以掌握的困难看见一面镜子对亮100亿倍地球million-kilometer-wide火球的眩光,是一个陌生的太阳。这种100亿比1的对比度意味着，仅仅捕捉行星光的一个光子，就像筛选地球上的所有人口，只为寻找一个能告诉你一些世界秘密的人。因为镜面地球是如此微弱，即使你设法捕捉到从遥远的陆地、海洋和天空反射过来的每一个光子，它们也会断断续续地到达你的望远镜，你几乎可以用手指数一数。最终得到的图像不会给人留下深刻的印象，只是行星光线的一个未解点，但它仍然可以用来绘制半球尺度的地表特征，研究世界的大气成分。
因此，与其他依靠天空中的甘露等星光为生的天文学家不同，圭翁试图无情地压制它，用精致的光学暴力来消灭恒星的光线，以便看到任何伴随的行星。他选择的武器是一种叫做日冕仪的东西，这是一种内置在望远镜中的装置，它可以阻挡目标恒星的光线，就像你用拇指遮住天空中的太阳并向眼睛投下阴影一样。自20世纪30年代以来，人们就可以使用相对简单的日冕仪，其对比度可以达到数百万比一，但在过去十年里，当人们开始认真寻找镜像地球时，仪器学家开始设计出一系列更具雄心和要求更高的设计。
制作一台日冕仪以达到100亿比1的对比度是一个相当不切实际的追求。除了拍摄围绕其他恒星运行的小行星的快照外，还没有任何其他应用需要达到如此极端的对比度。因此，开发这样做的技术能力纯粹是满足好奇心的问题。从任何商业考虑中解放出来，日冕学的前沿可以被看作是一种有点形而上学的东西，一种几乎是诺斯替主义的寻求，在光的永恒纯洁性和物质的短暂腐蚀之间寻求调和。
我在日冕仪上，光的行为并不像你所期望的光子粒子簇射那样。相反，它的作用更像一种流体，在反射镜和其他光学元件之间和周围绕射和流动。当完美的光束在这些组件的形状和位置上遇到原子级的缺陷时，光散射并改变其轨迹，泄漏到望远镜的其他地方。杂散的光子经常溅到寻觅世界的传感器上，用闪烁的斑点污染任何产生的图像，这些斑点可以模糊或伪装成合法的行星光。即使是完美的平面镜也无法幸免：在无瑕疵表面上平滑传播的星光在到达镜子边缘时仍会发生衍射，形成至少与暗淡行星一样明亮的闪烁光环图案。
随着时间的推移，天文学家已经学会了通过阻止一束星光碰到边缘来对抗这些衍射环。抑制衍射环的最简单也是最常见的方法之一是一种称为“切趾化”的过程，该过程涉及以某种方式使光束的周长比其中心暗，从而形成一个黑暗的绝缘屏障来抵抗衍射。早期的切趾行星发现日冕仪只需要从镜子的中心喷涂一个变暗的渐变到不透明，或者用计算机生成的图案定制切割的不透明覆盖物遮盖镜子的边缘。其中一些设计在纸上和基本的实验室测试中都能很好地成像镜像地球，但它们都相对低效，降低了最终图像的分辨率，并丢弃了大量来自恒星和任何伴生行星的光。更糟糕的是，为了充分抑制接近类太阳恒星的星光，以观察其居住区内的情况，任何使用日冕仪的空间望远镜都需要一个非常大且非常昂贵的镜子，直径大约为几米。
新泽西州卡斯丁、新泽西州范德贝、新泽西州斯佩格尔和麻省理工大学利特曼。通过最佳切趾瞳孔和成形瞳孔冠图寻找太阳系外行星。12,54。J. 582 1147-1161(2003)。
©原子吸收光谱法。与许可转载。
2002年夏末，盖恩刚获得博士学位，就想到了这一切。在博士学位上，他研究了多种直接成像行星的方法。他正在不列颠哥伦比亚省维多利亚市的一个天文台参观，在一个安静的雾蒙蒙的早晨，当他的许多同事还在睡觉时，他正在用铅笔和纸涂鸦。他回忆道：“我记得我曾想过（那些设计）有多么低效，我想知道我是否可以通过某种方式移动光线，将光线集中到光束的中心，而不是仅仅将其扔掉在边缘，从而达到同样的切趾效果。”。Guyon开始绘制一组同心环，这些同心环可以用来遮住镜子的边缘并形成光束。当他开始将环连接在一起，勾画出连续的表面时，他取得了突破：他意识到，他不需要遮掩平面镜的边缘以尽量减少衍射图案，而是可以通过对镜子本身进行几何雕刻，在完全没有遮罩的情况下实现同样的目标。天文学家已经在射电望远镜中使用了这一概念，而且，在圭昂不知道的情况下，光学科学家最近设计了类似的非球面镜来改变激光束的形状。Guyon的突破是提出并发展了这项技术，作为行星成像问题的理想解决方案。
结果是一对奇怪的非球面形状，每一个都在其中心轻轻弯曲，在其边缘扩张成平面。Guyon描绘了一束星光在它们之间反弹时像一块橡胶一样被拉伸，在其中心变得集中，在其边缘被平坦度和曲率的相互作用稀释。他怀疑，由此产生的光束将变迹，并没有行星淹没环，同时尽可能多地保留行星光。用透镜聚焦变迹光束将使中心星光进一步锐化为一个微小的点，然后被一个简单的不透明圆盘阻挡，从而使潜伏在光束模糊边缘的微弱行星光子能够毫发无伤地通过，撞击探测器。这种高通量和分辨率的结合意味着使用圭昂日冕仪的行星探测望远镜可能比许多其他设计更小、更便宜，同时仍能提供优异的性能。Guyon的方法不需要数小时或数天的时间来生成一张有用的地球绕着附近恒星的图像，而可能在几分钟内获得一张等效图像。
在2003年的一篇论文中描述了他的设计之后，在随后的研究中，Guyon和几位合作者将同样的技术应用于透镜和镜子，推导出描述所需非球面几何的方程，并提议在未来的行星探测望远镜中使用他的日冕仪设计。另外两位研究人员，韦斯利·特劳布和罗伯特·范德贝，发现并纠正了新的切趾方法中潜在的致命缺陷。Guyon将其命名为相位诱导振幅变迹，简称PIAA（发音为PEE-AY），这是对该技术关键突破的一个贴切而神秘的描述。（除了是光学物理学大师外，盖恩还特别喜欢为他的作品设计笨重的首字母缩写。）
一种全新日冕仪的发明在光学科学中是一件罕见的事情，而PIAA对星光的前所未有的操纵开启了一个全新的实验和设计领域。不久之后，NASA的研究中心和其他机构开始仔细检查几种类型的PIAA日冕仪的实验室性能，测试它们廉价抑制星光的潜力。盖恩说:“重要的是要记住，每花一美元优化日冕仪，你就能更快地获得科学成果，而不是增加望远镜的孔径和镜子的尺寸，这是非常昂贵的。”
在一次谈话中，盖恩向我展示了一幅像素化严重的图像，画面上似乎是一块石头溅进水池里，周围环绕着同心的涟漪。石头和波纹实际上是人造光源的抑制眩光，在NASA喷气推进实验室的真空室中用PIAA日冕仪抑制了几亿倍。在人造恒星和最里面的波纹附近隐约出现了一个空洞，那是一片黑暗的深斑，100亿比1的阴影被99.99999999%的光清除了，这正是一个真正的类太阳恒星可能隐藏着一面镜子地球的地方。盖恩说:“如果我们在这里观察一颗真正的恒星，并且在这个区域有一颗小的岩石行星，由于PIAA的作用，我们基本上可以接收到这颗行星的所有光线，并以望远镜所能允许的最清晰的角度观察它。”
Guyon相信PIAA日冕仪可以提供附近少数“红矮星”恒星可居住区内岩石行星的快照。
这种简化的实验室模拟提供的性能类似于真实的天基仪器成像镜面地球所需的性能。不幸的是，建造这样一个仪器的资金并不容易获得。PIAA的技术发展在2000年代中期开始加速，当时太空科学的主要资助方美国宇航局(NASA)正在研究一项行星成像任务，该任务使用基线设计，要求使用效率较低、需要大镜子的老式日冕仪。但是，同时还要完成国际空间站的建设，建造一批新的火箭以取代老化的航天飞机，并发射预算超支、进度落后的下一代詹姆斯·韦伯太空望远镜，该机构认为，短期内对大型行星成像天文台的追求是负担不起的，2006年，该项目被无限期搁置。
2013年，发现行星的日冕仪在美国宇航局获得了新的生命，当时该机构决定将一台日冕仪投入其WFIRST任务，这是一台更便宜、更小的2.4米太空望远镜，计划在本世纪末发射。美国航天局选择为这次任务配备能力较差但更成熟的早期日冕仪设计，但为了支持盖恩的工作，选择了他的PIAA概念作为备份。与此同时，Guyon致力于通过将其与地面上的望远镜结合在一起，为PiAA奠定空间基础，包括连接到8.2米昴星望远镜的技术演示者。
该仪器名为SCExAO (SKEX-ay-OH)，是斯巴鲁日环仪极端自适应光学的缩写，它很快就能提供围绕类太阳恒星的类木星行星的照片，以及在土星大小的世界的引力作用下形成的环绕恒星的碎片盘的图像。但在直径30米的聚光镜的背面，一个增强版的SCExAO可以做更多的事情。有了这样的镜子(预计将在下个十年初首次亮相)，盖恩相信PIAA日冕仪可以提供位于少数附近“红矮星”宜居带的岩石行星的快照。“红矮星”是一种比我们的太阳更小、更冷、更暗的恒星。
盖恩说:“离我们太阳系最近的恒星是半人马座比邻星，它就是这类恒星。”“如果你把一个地球放在半人马座比邻星周围，行星-恒星对比的挑战比地球围绕我们的太阳要小一个数量级。更大的挑战是，要想适宜居住，这颗行星必须离这颗小恒星非常近，而PIAA日冕仪将帮助我们近距离观察我们需要的地方。这些都是可能适合居住的行星，我们将在未来十年从地面拍摄这些行星的图像。”
除此之外，盖恩的终极动机非常明确。“也许在非常遥远的未来，我们会看到让我们想起地球的行星的清晰图像。为什么不呢?这才是我真正感兴趣的地方。”
自由撰稿人李·比林斯是五十亿年的孤独：在星空中寻找生命。
