在阴影中寻找第二个地球

年代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，盖恩与地球的联系一直很薄弱，但自从他开始在夏威夷的斯巴鲁(Subaru)望远镜和图森的亚利桑那大学(University of Arizona)任教以来，这种联系就变得越来越陈旧。有几个星期，他在空中的时间比在地面上的时间还多，在太平洋上来回飞行。如果他有倒时差的时候，他会把它藏得很好，他的雇主认为他的工作很有价值，他们不会抱怨他运输的费用和麻烦。大洋两岸的同事都知道他，因为他穿着夏威夷衬衫，面带轻松的微笑，以及他那种既沉默又健谈的奇怪倾向。开始一段关于天气的对话，盖恩可以倾向于用单音节，但深入到他的工作中，他带着法语口音的单词开始慢慢地连续涌出，就像被水抛光的鹅卵石在河床上翻滚一样。

2012年，在麦克阿瑟基金会(MacArthur Foundation)授予盖恩50万美元的“天才”奖学金后，盖恩接受了麦克阿瑟基金会(MacArthur Foundation)的采访，他在采访中滔滔不绝地说，“当你在夜晚仰望天空时，你看到的每一颗星星都是另一个太阳。”他的大写是含蓄的，是一种敬语，传达了一个深刻的现实，那就是头顶上每一个闪烁的恒星点，就像我们的太阳一样，是一群群行星的光和热的轨迹，它们还在绕着我们的轨道运行，而我们还没有被瞥见。到目前为止，天文学家只直接拍摄了太阳系外的十几个行星的图像，每一个都太大太不节制，不可能与地球相似，也不可能支持我们所知的生命。然而，在数十亿颗尚未观测到的行星中，有一些可能非常像地球，在它们的恒星的“宜居带”中运行，即我们所知的对生命来说既不太热也不太冷的环绕恒星的区域。

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。

就像斯图勒和亚利桑那大学之前，麦克奈特都在呼唤，因为圭顿是在光学科学中缓慢煨革命的最前沿，可以使用太空望远镜大约一半的空间望远镜 - 因此，它是希望，成本的一半。事实上，如果附近的大多数星星港口岩石行星在其可居住的区域中，戈伦的工作可以提供甚至降低成本的途径，允许发出极大的基础望远镜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。

“我的目​​标是向大家展示它不必花几十年来做到这一点，”Guyon说。“我们实际上可以很快地描绘和研究一些潜在的居住行星。我们应该致力于这项技术和计划来实现这种可能性。“

与其他天文学家不同，这些天文学家像距离天堂一样，戈尔顿寻求无情地抑制它，以精致的光学暴力歼灭明星的光线。

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，与其他天文学家不同，盖恩试图无情地压制恒星的光，用精湛的光学暴力湮灭恒星的光，以便可以看到任何伴生的行星。他选择的武器是一种叫做日冕仪的东西，这是一种安装在望远镜里的装置，它可以遮挡目标恒星的光线，就像你用大拇指遮挡天空中的太阳一样——遮住它，在你的眼睛上投下阴影。自20世纪30年代以来，相对简单的日冕仪已经问世，其对比度可达百万分之一，但当上个十年来对镜面地球的探索真正开始时，仪器学家们开始设计出一系列更雄心壮志、要求更高的设计。

制作一个达到10亿到1个对比度的调节件是一个相当不切实际的追求。除了拍摄其他明星的小星球的快照外，还没有尚未设想其他申请，需要达到这种极端对比 - 发展技术能力，因此纯粹是一种满足好奇心的问题。从任何商业考虑中解脱出来，血管神经的前沿可以看出，在光线永恒纯洁和短暂的物质暂时腐败之间进行差不多的追求。

我Nside uSide，Light并没有真正表现为您可能期望的光子的微粒淋浴。相反，它更像流体，衍射和流动在镜子和其他光学部件周围的小波中。当光束的完美符合这些组件的形状和位置的均匀原子尺寸缺陷时，光散射并使其轨迹移位，泄漏望远镜的其他地方。杂散光子常常在寻找世界寻求的传感器时溅起，污染任何由闪闪发光的斑点，可以模糊或化妆，作为合法的行星灯。即使是一个完美的平面镜也不能免疫：星光顺畅地在无瑕疵的表面上平稳地传播仍然衍射，当它到达镜子的边缘时，堆积在闪烁的环的图案中，至少与暗方一样明亮。

随着时间的推移，天文学家已经学会了通过阻止一束恒星遇到边缘来对抗这些衍射环。抑制衍射环的最简单、最常见的方法之一是一种叫做“变暗”的过程，以某种方式使光束的周长比中心暗，形成一种隔离的黑暗屏障来防止衍射。早期的变迹行星日冕仪只需要简单地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模式定制的不透明覆盖在镜子的边缘。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地球的镜像，但它们都是相对低效的，降低了最终图像的分辨率，并丢弃了来自恒星和伴生行星的大量光线。更糟糕的是，要想充分抑制类日恒星附近的星光，以观测它们的宜居带，任何使用日冕仪的太空望远镜都需要一个非常大、非常昂贵的镜子，直径大约几米的东西。

2002年夏末，刚刚获得博士学位的盖恩就想到了这一切。他在博士学位中研究了多种直接成像行星的方法。当时，他正在不列颠哥伦比亚省维多利亚的一个天文台参观，在一个雾蒙蒙的早晨，当他的许多同事还在睡觉时，他正在用铅笔和纸涂鸦。他回忆说:“我记得当时我在想，那些设计是多么低效，我在想，如果我通过某种方式移动光线，将光线集中到光束的中心，而不是把光线扔到边缘，是否能达到同样的变异体效果。”盖恩开始绘制几组同心圆环，可以用来掩盖镜子的边缘并塑造光束。当他开始将这些圆环连接在一起，勾画出连续的表面时，突破性的进展出现了:他意识到，他可以通过几何学上雕刻镜子本身，而不是掩盖平面镜的边缘来最小化衍射图案。天文学家已经在射电望远镜中使用了这个概念，而盖恩不知道的是，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。盖恩的突破是提出并发展了这项技术，将其作为行星成像问题的理想解决方案。

结果形成了一对奇怪的非球面形状，每一个都在中心轻微弯曲，在边缘变得平坦。盖恩描绘了一束星光，当它在两者之间弹来弹去时，就像一块橡胶一样被拉伸，由于平面和曲率的相互作用，在中心集中，在边缘稀释。他怀疑，由此产生的光束将会被改变轨道，并且不会出现淹没行星的光环，同时尽可能多地保留行星光。用透镜聚焦畸变光束，可以进一步将中央的星光锐化成一个小点，然后可以被一个简单的不透明圆盘挡住，让潜伏在光束模糊边缘的微弱行星光子毫发无损地穿过，撞击探测器。这种高通量和高分辨率的结合意味着，使用盖恩日冕仪的行星发现望远镜可能比许多其他设计更小、更便宜，同时仍然提供卓越的性能。盖恩的方法可能在几分钟内就能获得一张与之相当的图像，而不是需要数小时或数天才能获得一张围绕附近恒星的地球的有用图像。

盖永在2003年的一篇论文中描述了他的设计，在随后的研究中，盖永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图形的方程，并提出在未来的行星发现望远镜中使用他的日冕仪设计。另外两名研究人员韦斯利·特劳布(Wesley Traub)和罗伯特·范德贝(Robert Vanderbei)发现并纠正了这种新的变径法可能存在的致命缺陷。盖恩将其命名为相位诱导振幅变迹，简称PIAA(读作PEE-AY)——对这项技术的关键突破的恰当而又神秘的描述。(除了是光学物理学大师，盖永还有一种奇怪的嗜好，就是为他的作品设计笨拙的缩写词。)

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。”

在我们的一个谈话中，Guyon向我展示了一个似乎是一块石头溅入一池水中的像素化的像素，被同心涟漪围绕着。石头和涟漪实际上是人造光源的闷热眩光，用Piaa胰岛抑制在NASA喷射推进实验室的真空室内的几亿倍。靠近合成恒星的空隙织机和最内部的纹波，一个深深的深层，10亿到1个暗影净清洁为99.999999999％的光线，正是真正的阳光明星可能留下镜子地球。“如果我们在这里看着真正的明星，这个地区有一个小岩石行星，因为Piaa我们基本上会收到所有这个星球的光线，看起来就像望远镜一样急剧地看到它，”Guyon说。

盖恩认为，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。

这种简化的实验室模拟可提供类似于真正的基于空间的仪器需要映像镜像的性能。不幸的是，建立这种乐器的钱并不容易来。PIAA的技术开发在2000年代中期开始升级，刚才在NASA是空间科学的主导资助者时，使用呼吁在低效率下运行的较旧的血管和需要大型镜子的基线设计来研究行星 - 成像使命。但是，还有任务完成国际空间站，建立一批新火箭队取代老化航天飞机，并推出过度预算和落后于附表的下一代詹姆斯韦布太空望远镜，代理商认为近期追求一个大的行星成像天文台无法实现，并于2006年将项目放在无限期的举行中。

当原子能机构决定将其中一个人的WFIRST使命置于2013年，行星查找昆萨在美国宇航局获得了新的租约。预定在本十年末开始推出的更便宜，更小的2.4米的太空望远镜。美国宇航局选择了以较少的能力，但更成熟的早期调情设计装备了使命，但在圭顿的工作中选择了他的PIAA概念作为备份。与此同时，通过将其与地面上的望远镜集成，圭顿队伍将为太空中的PIAA奠定基础，其中包括连接到8.2米斯巴鲁望远镜的技术示威者。

叫Scexao（Skex-Ay-OH），短暂的Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics，该仪器很快就会在太阳般的星星周围提供Jupiter的行星图片，以及由引力拉动雕刻的星际碎片磁盘的图像土星大小的世界。但用螺栓连接到30米直径的灯光聚光镜的背面，升级版的Scexao可以做得更多。通过这样的镜子，下半年初中首次亮相，Guyon认为Piaa Coronagraph可以在少数附近的“红矮人”星星星的可居住区域中提供洛基行星的快照，比我们自己的太阳更小。

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，Guyon的最终动力很清楚。“也许在遥远的未来，我们将获得解决的行星图像，以提醒我们地球。为什么不？这真是对我努力工作的原因是什么。“

自由撰稿人李·比林斯是《50亿年的孤独:在恒星中寻找生命》

本文最初发表于2014年3月的“光”问题。