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。

就像斯巴鲁和之前的亚利桑那大学一样，麦克阿瑟派之所以呼吁盖恩，是因为盖恩处在一场缓慢发展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揭示一些隐藏的世界——因此，希望成本能减半。事实上，如果大多数附近的恒星在它们的宜居带中都有岩石行星，盖恩的工作可能会提供一个更低成本的途径，允许未来一代超大的地面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。

盖恩说:“我的目标是向所有人证明，做到这一点并不需要花费几十年的时间。”“实际上，我们很快就可以成像和研究一些可能适合居住的行星。我们应该在技术上努力，并计划让这种可能性成为现实。”

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。

制作一个日冕仪来达到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，还没有其他应用需要达到如此极端的反差——因此，发展这样的技术能力纯粹是为了满足好奇心。摆脱了任何商业考虑，加冕术的前沿可以被看作是有点形而上学的，一种近乎诺斯替派的追求，寻求光永恒的纯洁与物质短暂的腐败之间的和解。

我在日冕仪的内部，光的表现并不像你可能期望的光子粒子流那样。相反，它更像一种流体，以小波的形式在镜子和其他光学元件之间绕射和流动。当完美的光束遇到这些部件的形状和位置上的原子级缺陷时，光就会散射并改变其轨迹，从而泄露到望远镜的其他地方。散乱的光子经常溅落在寻找世界的传感器上，用闪烁的斑点污染任何结果图像，这些斑点可以掩盖或伪装成合法的行星光。即使是完美的平面镜也不能幸免:星光在一个完美的表面上平滑地传播，当它到达镜子的边缘时仍然会发生衍射，堆积成闪闪发光的环状图案，至少和暗淡的行星一样明亮。

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。”

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，美国国家航空航天局(NASA)的行星日冕仪获得了新的生命，该机构决定在其WFIRST任务中安装一台日冕仪。WFIRST是一种更便宜、更小的2.4米太空望远镜，计划在本世纪末左右发射。NASA选择了较弱但更成熟的早期日冕仪设计来装备这次任务，但为了向盖恩的工作致敬，选择了他的PIAA概念作为备份。与此同时，盖永还将搭载在8.2米长的斯巴鲁望远镜上的技术演示装置等地面望远镜整合在一起，为PIAA在太空的发展奠定了基础。

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《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《Light》杂志。