在宇宙中其他地方寻找生命需要什么？

1999年7月8日上午，佛罗里达州卡纳维拉尔角上空的天空朦胧而阴沉。微风吹拂，凉爽了估计有75万人，他们顶着黏糊糊的夏日炎热，告别了美国宇航局的“发现号”航天飞机。这是这个服役30年的航天飞行计划的最后一次飞行——也是人类在星辰之间寻找生命世界的时代不确定的开端。

随着最后的倒计时开始，飞船指挥官克里斯·弗格森（Chris Ferguson）与任务发射主管迈克·莱因巴赫（Mike Leinbach）一起思考着这个计划的结束。“航天飞机将永远是我们伟大国家敢于冒险、致力于贯彻始终的体现，”弗格森通过无线电说道，他坐在十八层楼高、重达450万磅的航天飞机组合体上。“今天我们不是在结束旅程，迈克，我们是在完成一段永无止境旅程中的一个篇章。”

弗格森和许多人一样，都在呼应着现代火箭科学之父、隐居哲学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovsky）的核心思想。奥维尔·赖特（Orville）和威尔伯·赖特（Wilbur）在基蒂霍克（Kitty Hawk）开创了动力飞行，而齐奥尔科夫斯基则在俄罗斯偏远的木屋里热情地撰写关于太空探索和人类在星辰之间的命运的文章。他设想将多级火箭发射到轨道，在外太空生活和工作，并有一天逃离太阳系。他还以“火箭方程”而闻名，这是一个数学公式，概括了影响火箭机动性的所有关键变量。齐奥尔科夫斯基在他早期的论文中写道：“人类的大部分可能永远不会灭亡，只会随着太阳一个接一个地熄灭而不断地从一个太阳转移到另一个太阳。因此，人类的生命、进化和进步将永无止境。人类将永远进步。如果真是这样，他一定能获得永生。”这种对地球之外无限未来的设想，虽然含蓄但很少被明确承认，但仍然是任何人类太空计划最纯粹、最崇高的目标。

弗格森在卡纳维拉尔角呼应齐奥尔科夫斯基的话后不久，航天飞机的引擎和助推器轰鸣着启动了。亚特兰蒂斯号在一道颤抖的金色火焰和电蓝色冲击波中，将船员送往天空。然而，这场盛大的景象却留下了一个陷入沉寂衰败的太空计划：美国宇航局（NASA）没有现成的航天飞机替代品，并且正在缩减整个机构的计划。

航天飞机是在阿波罗任务的技术热潮中构思的，它本应是一种革命性的、可重复使用的航天器，每周飞行一次。它将使太空旅行变得廉价、频繁和常规。相反，理查德·尼克松（Richard Nixon）总统对预测的费用感到不安，最终出现的神秘飞行器既优雅又多功能，但却存在无法弥补的缺陷。在成本、频率、可重复使用性和安全性等方面，航天飞机计划几乎是一项灾难性的“白象”，未能兑现其最关键的承诺。

唯一例外或许是哈勃太空望远镜，这是一个校车大小的机器人天文台，1990年由“发现号”航天飞机送入近地轨道。在一次大胆的太空维修后，哈勃开始发挥作用。它的视力足够敏锐，能够分辨出火星上不断变化的天气、木星上爆炸的彗星撞击以及土星上幽灵般的极光。望远镜观测了附近恒星形成区域，发现了被气体和尘埃盘包裹的年轻恒星，这些盘正在形成行星。哈勃明确显示，仙女座星系将在大约40亿年后与我们的银河系碰撞并合并。而且，通过检查周围的星系，它发现几乎所有星系中心都有超大质量黑洞。

在哈勃发射和维修后的丰硕岁月里，美国宇航局宣布了它的继任者：下一代太空望远镜，后来被命名为詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）。它的任务将是完全揭示宇宙最古老的星系，那些在哈勃最深远的图像中只表现为微小的红色斑点。

但就在美国宇航局将重心放在JWST上时，系外行星学开始迅速崛起。天文学家首次能够理性地讨论发现其他类地行星的可能性，引起了公众极大的兴趣和赞誉。天文学家计算出，通过星际距离，我们的世界在哈勃深场图像中会比典型的星系稍暗一些。理论上，这是JWST可以探测到的，而且它在拍摄远离恒星的热年轻气态巨行星方面将表现出色。但实际上，宜居行星将离它们明亮的母恒星太近了。

要拍摄一颗围绕恒星运行的岩石行星，就像给一颗正在爆炸的氢弹旁边的未点燃的火柴拍照。例如，我们的地球在可见光下比我们的太阳暗大约一百亿倍——我们行星向外反射的每一点光子，我们的恒星就会发出百亿倍的光子。在红外线中，对比度变得更有利——在这些波长下，太阳比我们的世界只亮一千万倍。要拍摄一颗围绕恒星运行的岩石行星，就像捕捉一小撮尘埃，几乎紧贴着一个热核火球的边缘，就像给一颗正在爆炸的氢弹旁边的未点燃的火柴拍照。你必须屏蔽掉那些数百万甚至数十亿的热核光子，这样才能看到从行星反射出来的哪怕一个光子。只有太空望远镜才能避免地球大气层的模糊干扰，并接收到绕其他许多恒星运行的潜在宜居行星的光。

1996年初，在美国天文学会（American Astronomical Society）在德克萨斯州圣安东尼奥的一次会议上，美国宇航局当时的局长丹·戈尔丁（Dan Goldin）走上讲台。他提出了一个引人入胜的愿景，描述了该机构在JWST之后将要做的事情：将美国宇航局的整个科学计划围绕着天体生物学进行重塑，并将新的寻找生命望远镜作为闪亮的中心。“大约十年后，”他解释说，该机构就可能准备好发射一个“行星探测器”（Planet Finder），这是一个将定位潜在宜居世界并拍摄其低分辨率照片的天文台。它将寻找每个小行星像素团光谱中的大气生物标志物。这是美国宇航局“类地行星探测器”（Terrestrial Planet Finder，TPF）任务概念最早的公开提及之一。戈尔丁告诉他全神贯注的听众，如果TPF找到了附近恒星周围的宜居世界，那么“也许在25年后”，就可以建造更具雄心的望远镜，能够以“可以看到海洋、云层、大陆和山脉的分辨率”拍摄这些行星。他后来表示，在21世纪的某个时候，那些被揭示为生命世界的星球可以成为星际机器人探测器的主要目标。

不幸的是，JWST的开发比计划更加困难。为了拍摄最早的恒星和星系，望远镜需要比哈勃望远镜更大的主镜，并且要优化红外波长（分子云、巨行星和最早的星系在这里最明亮）。镜子需要整齐地折叠起来，放入火箭的整流罩内。在太空中，它需要低温冷却，这样它自身的热量就不会淹没宇宙黎明的脆弱光芒。最后，它不能在近地轨道运行，因为地球在红外波长下像灯泡一样的发光会污染精密的观测。

尽管有各个国际合作伙伴签署协议建造仪器或提供运载火箭，但美国宇航局仍将承担大部分费用，初步估计约为15亿美元。发射初步定于2010年左右。随着项目的真实复杂性和规模的显现，成本估算不断提高，但资金的增加却很少。相反，JWST的资金必须来自美国宇航局的其他太空科学项目。最终，仅技术开发就需要超过20亿美元。JWST的进度开始滑坡。项目的总成本将越来越多的主要支出推迟到未来。到2012年，JWST的建造、测试、发射和前五年的运营估计将耗资近90亿美元，发射日期不早于2018年。

国家和全球的经济灾难加剧了JWST的诞生之痛。美国宇航局的预算停滞不前，未能跟上货币通胀的步伐。克林顿总统在20世纪90年代积累的万亿美元的盈余，在小布什总统（George W. Bush）减税和挥霍性支出下，到了21世纪初变成了数万亿美元的赤字。然后，在2003年哥伦比亚号航天飞机事故后，小布什提出了一个大胆的新任务，但没有资金或国会深度支持：重返月球并载人登陆火星。

为了支付最终注定失败的“星座计划”（Constellation），美国宇航局在2006年选择从其科学预算中挪用数十亿美元。JWST的开发陷入混乱，并粉碎了对TPF迅速开发和发射的希望，TPF被正式“无限期推迟”。巴拉克·奥巴马（Barack Obama）总统在2010年取消了小布什的计划，但损害已经造成。为了充分资助JWST，该机构缩减、推迟或取消了几乎所有其他主要的下一代天体物理学和行星科学任务；如果JWST要成功，只能以牺牲美国宇航局大部分太空科学项目为巨大代价。由于缺乏资金和强有力的机构支持，TPF似乎和遥远的星辰一样难以实现。

这个想法沉重地压在约翰·格伦斯菲尔德（John Grunsfeld）的心头，他是一位天体物理学家，曾五次乘坐航天飞机执行任务，其中三次是为了维修哈勃。媒体称格伦斯菲尔德为英雄，并称他为“哈勃博士”。他考虑了国际空间站和航天飞机上花费的数千亿美元，以及维持太空望远镜黄金时代所需的可比微薄的资金。他想知道美国宇航局庞大的人类探索计划如何能再次与该机构纯粹的科学部门建立强大的伙伴关系。因此，在2003年和2004年，他担任美国宇航局首席科学家，并帮助为小布什的“星座计划”开发科学应用。事实证明，大型火箭与将宇航员送往月球一样，也适用于发射极大的望远镜。这样的火箭可能会使JWST以及更大型的TPF式天文台更容易、更便宜地发射。然而，当“星座计划”的阴影笼罩美国宇航局的科学预算时，这项计划适得其反。2010年初，格伦斯菲尔德离开美国宇航局，前往马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）担任副所长——那里是哈勃以及未来JWST的运行中心。他与该研究所所长、天文学家马特·山（Matt Mountain）密切合作了近两年，为未来的TPF式望远镜奠定了基础。他们偏爱的内部设计被恰当地命名为ATLAST，即先进技术大口径太空望远镜（Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope），旨在提供潜在宜居系外行星的图像。哈勃博士变成了TPF博士，ATLAST博士。

但2011年末，格伦斯菲尔德的电话响了。美国宇航局希望格伦斯菲尔德掌管世界上最大纯科学预算，尽管该预算难以履行其众多义务。他接受了，并随后压制了他过去对寻找生命望远镜的公开倡导，转而强调美国宇航局所有科学项目的平衡。虽然没有宣布为搜寻外星地球提供大胆的新资金，但格伦斯菲尔德最亲密的朋友和前亲信无法忘记他过去的激情。在我为这本书与格伦斯菲尔德联系近一年徒劳无功之后，我在他早先一次采访中坦率告诉我的话中找到了慰藉。

“哈勃和韦伯很可能让我们对宇宙中是否存在生命的问题悬而未决，”他说。“我们下一代伟大的太空望远镜需要，并且我们能够实现的是，能够观测最近一千颗恒星周围的每一个宜居行星的大气层和表面特征。我们终于可以发现我们并不孤单。我们可以找到其他宜居世界，原则上，人类都可以访问它们。这就是大局，我想说服公众、国会和未来的政府，投资于下一步是值得的。”

显然，格伦斯菲尔德读过他的齐奥尔科夫斯基。