作为人类有史以来送入宇宙的最大、最复杂的装置，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）去年的一次发射让天文学家们忐忑不安。这架望远镜具有前所未有的灵敏度，可以更深入地窥探黑暗的宇宙并分辨遥远的天体。但下一代更具观测能力的望远镜不一定非要超越 JWST 的体积才能超越其视野。
“如果你想继续获得更好的角分辨率，那么你必须建造越来越大的望远镜——或者你必须转向干涉测量，”俄亥俄州立大学的天文学家兼系外行星猎人斯科特·高迪（Scott Gaudi）说。
零干涉测量是一种观测技术，通过混合同一目标的多重同步视图来收集天体数据。零是指如何将这些光线组合起来，以消除来自恒星等天体的压倒性背景，从而增强来自行星等更暗目标发出的信号，这些行星沐浴在恒星的光芒之下。这项技术解决了系外行星观测中最棘手的挑战之一：对比度问题。与其它竞争技术相比，零干涉测量可能是将恒星光线降低百亿倍或更多的最佳选择——这足以揭示一颗类地行星潜在的存在。而这些岩石行星是孕育地外生命的主要候选者。
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为了获得更高的灵敏度和更好的分辨率，每个集光器需要间隔数百米。这很有创新性：与其部署一个带有多个探测器的笨拙装置，另一种解决方案是移除探测器之间死空间内的任何连接支架，并依靠编队飞行。自主编队飞行器的优势是巨大的——这些探测器可以向外或向内移动以聚焦不同的目标，旋转，并在中央集光器周围盘旋以调制它们接收到的天文信号。
“干涉测量法一直在不断出现——一遍又一遍，”高迪说。“我认为这是未来的发展方向。”
虽然零干涉空间干涉仪在未来几十年内不会投入使用，但由瑞士苏黎世联邦理工学院天体物理学家萨沙·夸兹（Sascha Quanz）领导的一项工作正在推动零干涉测量从图纸走向现实。他倡导的这项任务毫不掩饰其目的：LIFE，也代表着大型系外行星干涉仪，将搜寻类地和潜在宜居的系外行星。他的团队提出的红外天文观测项目涉及五个同步飞行的独立航天器，以达到拥有 1970 英尺（约 600 米）主镜望远镜的分辨率。（相比之下，世界上最大的太空天文台 JWST 的主镜直径为 21 英尺（约 6.4 米）。）去年，欧洲航天局（ESA）将系外行星搜寻列为其未来几十年的三个主要任务主题之一，其中LIFE 可能是执行该任务的主要竞争者。LIFE 的概念正在逐渐升温，但这并非首次在太空中对零干涉测量产生兴趣——几十年前，由于技术和财务上的障碍，这一想法被扼杀，使得地外零干涉测量实际上不可行。自那时以来，技术的进步使得零干涉测量比以往任何时候都更接近现实。LIFE 可能是完成零干涉测量救赎故事的任务。
LIFE 的起源
2000 年之前，系外行星的发现屈指可数，因为人类根本没有搜寻它们的工具。但并非没有尝试——科学家们提出了系外行星探测器的想法，但这些想法在当时被认为过于宏伟。
零干涉测量最早由斯坦福大学电气工程师罗纳德·布雷斯韦尔（Ronald Bracewell）于 1978 年提出。后来，NASA 和 ESA 分别于 2002 年和 1993 年批准了类地行星探测器干涉仪（TPFI）和达尔文（Darwin）任务，独立地采纳了这一概念。令科学界感到沮丧的是，预算限制导致 TPFI 于 2007 年被取消。同年，ESA 也取消了达尔文任务。在这两项任务中，当时的技术和系外行星知识明显不足以证明巨大的财务成本是合理的。两个航天机构都搁置了这些想法，将它们打入历史的尘封深处，成为死胡同项目。
当时，搜寻系外行星是一项高风险的冒险。也许投资一项激进的新技术，如空间零干涉测量，如果根本就没有多少新世界可以揭示，那就不值得了。
这一切都随着新事物的到来而改变：开普勒（Kepler）。
这架巧妙的太空望远镜使用一种名为“凌星法”的方法来探测隐藏的系外行星。它长时间盯着一颗恒星，直到系外行星绕其运行数圈；恒星光线中周期性的闪烁会暗示可能有一颗系外行星正在从中“经过”，基本上是“抢镜”。为了执行凌星法，这架坚定的观测者在其巅峰时期一直注视着同一片天空。
开普勒望远镜于 2009 年投入使用，并在一年后发现了其第一个此前未知的系外行星。在开普勒望远镜问世之前的十年里，已经发现了数百颗系外行星。尽管如此，这个数量还不足以让科学家们确定系外行星（更不用说宜居的系外行星）是普遍存在的还是稀有的——直到开普勒任务开启了系外行星发现的淘金热。正如星系中存在着无数的恒星一样，科学家们意识到，宇宙中存在着更多的系外行星。在目前已知的 5000 多颗系外行星中，开普勒在九年间默默地守护夜空，发现了其中一半以上。
尽管开普勒望远镜的效率很高，但凌星法也有其局限性：它本质上是一种漫长的等待游戏，需要系外行星围绕其恒星完成数次往返。因此，这架坚定的观测者一次只能盯着同一片天空的狭窄区域数年。夸兹说，如果人类拥有一个能够观测整个宇宙并实时跟踪系外行星而无需等待它们完成轨道周期的天文台，科学家们就能发现多少系外行星。
夸兹和他的团队利用开普勒望远镜的统计数据，模拟了一个像 LIFE 这样能够直接探测系外行星的假设任务的回报率。“我们只是想得到初步的感受，”夸兹说，“结果令人震惊。”他回忆说，在 2017 年左右，他在一次晚宴上将自己的早期计算结果告诉了比他资深的资深研究人员。他问他们，达尔文任务本可以发现多少颗系外行星。一位教授随意猜测了十二颗，夸兹记得。让听众震惊的是，夸兹告诉他们，不到一年，像LIFE 这样的任务就能确定超过 300 颗。
“这仅仅是知道这个任务能带来什么而产生的兴奋感，”夸兹说。自 TPFI 和达尔文任务以来，技术已经取得了进步，使得空间零干涉测量不再是不可想象的。相反，像 LIFE 这样的倡议正在朝着可行的方向迈进。“我只是被这个想法迷住了，”夸兹补充道。
重新构想的飞行太空望远镜
NASA 天体物理学家伯特兰·梅内森（Bertrand Mennesson）说，如果零干涉测量最终成为太空探索的下一个重大突破，那将归功于像夸兹这样年轻而坚定的头脑。梅内森本人曾是 TPFI 项目的科学家之一，后来才转向其他项目。“很高兴有新人关注这个问题，并可能得出新的结论，”他补充道。其中一个例子是这项技术在技术上是否可以实现。下一步将需要汇集不同的太空团队来组建一个工作原型，并争取大量的资金。
待办事项列表上的重要一项是演示自主航天器之间的编队飞行。LIFE 将由四个独立的集光器航天器组成，它们收集系外行星背对恒星发出的红外信号，然后将辐射重新定向到一个中央探测器。为了使 LIFE 正常工作，科学家们需要准备好它们的推进系统、航天器间的通信，以及保持相对于它们运行波长的精度稳定。这些自主红外集光器将间隔数千英尺，其偏离目标位置的偏差最多只能为人头发丝的十分之一。
近年来小型卫星（smallsats）和集群技术的兴起，对于形成编队飞行以赋予 LIFE——或零干涉测量——新的生命至关重要。近地轨道上的小型卫星和立方星是展示编队飞行的合适原型平台。一些轨道编队飞行器已近地部署——未来还有更多计划——作为测试平台来完善技术的各个方面。这些渐进的步骤将证明未来几十年编队飞行的可行性。
LIFE 的另一个挑战是精炼当前红外技术领域。幸运的是，JWST 的开发加速了新项目最终将利用的中红外光学技术。红外线是行星探测干涉仪的首选波长，因为行星大气中的许多化学物质在这个波长范围内会吸收。LIFE 不仅具有更高的灵敏度来发现新的宜居行星，还可能实现其名称的含义——让科学家们能够更详细地研究行星表面潜在的生物特征，如甲烷和二氧化碳。
与此同时，在等待太空中的天文望远镜时，发展和充分利用地面红外干涉仪的努力并未间断。这个解决方案绕开了编队飞行，因为地面上的单个望远镜更容易重新排列。（在智利的甚大望远镜干涉仪（VLT Interferometer）上，其四台组成望远镜中的每一台都可以通过卡车运输重新配置。）然而，这些望远镜必须面对红外天文学的宿敌：大气层，它会吸收来自天体的红外辐射。空气中的湍流也会使这些微弱的地外信号变得模糊——澳大利亚悉尼大学的天体物理学家巴纳比·诺里斯（Barnaby Norris）说，这就像从游泳池底部向上看世界。
任务的新希望
尽管空间零干涉测量似乎不可避免，但航天机构迄今尚未制定具体的计划来实现它。
零干涉测量不是 ESA 的已确认任务之一，ESA 也没有分配专门的资金来致力于开发这项技术。“目前，这不在我们近期的议程上，”至少要到 2050 年以后，ESA 科学主任京特·哈辛格（Günther Hasinger）说。“现在就把这项技术送入太空，成本太高。”
在大西洋对岸，NASA 正在积极研究替代性的遮挡恒星技术，这些技术在实际操作上更简单，但更适合较短的波长。梅内森说，这些技术不一定是零干涉测量的替代品，但可以在搜寻地外生命方面对其进行补充。
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然而，零干涉测量通过聚焦中红外波长来分辨遥远类地行星的能力，是其他系外行星探测方法无法填补的空白。
“这项技术显然还有很多工作要做，”诺里斯说，“但我不认为有什么是克服不了的。”
夸兹表示，他将探索所有途径，例如获得航天机构的批准或与私营企业合作，以实现 LIFE 的愿景。
他的灵感来自于 LIFE 任务所要感谢的开创者：威廉·博鲁基（William Borucki），NASA 艾姆斯研究中心（加利福尼亚州）的退休空间科学家，也是开普勒任务的主要研究员。很难想象，作为人类迄今为止最革命性的系外行星猎手，开普勒任务本身也曾经历过艰难的开端：自 20 世纪 90 年代初以来，该任务的概念被 NASA 拒绝了四次，最终才在近二十年后部署。
夸兹回忆起 2014 年在葡萄牙卡斯凯什的一次会议上，博鲁基给了他这样的建议：“如果你真的确信某件事……你必须为之奋斗，并将其实现。” 追随这星光熠熠的遗产，LIFE 将继承前人的事业，飞向天空。
