摘要：宜居世界观测站（HWO）被规划为全球下一代的“伟大天文台”。其核心任务是探测至少25颗类地系外行星大气中的生物标志物。然而，仅凭当前规划的主力仪器（一台强大的日冕仪），要完成这项任务仍需付出巨大努力。
本文为深度编译，仅供交流学习，不代表智子说观点
宜居世界观测站（HWO）被规划为全球下一代的“伟大天文台”。其核心任务是探测至少25颗类地系外行星大气中的生物标志物。然而，仅凭当前规划的主力仪器（一台强大的日冕仪），要完成这项任务仍需付出巨大努力。
来自法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学 (University of Grenoble Alpes) 的法比安·马尔贝 (Fabien Malbet) 及其合作者，在最新发表于预印本服务器arXiv的论文中提出了一项改进方案：为HWO的有效载荷增设第二台仪器，使其能够以0.5微角秒 (µas) 的惊人精度进行行星测星追踪。 这项升级将使HWO能够探测到数百颗邻近恒星周围的地球大小的行星，从而大幅增加可供大气分析的潜在候选目标。
目前，在距离地球65光年的范围内，仅有12%的类太阳恒星被证实拥有行星——而且它们均为气态巨行星。我们尚未在太阳系附近发现任何岩石系外行星，但这并不意味着它们不存在。 更可能的情况是，这些微小行星产生的信号，在“盖亚” (Gaia) 等现有探测任务的观测噪声中被淹没了。
尽管“盖亚”已是现今最先进的“行星猎手”之一，其最高精度也仅达到20至30微角秒的量级。要在邻近恒星周围探测到类地行星，所需的精度必须比这高出数个数量级。
若增配这台建议的天体测量仪器，HWO的精度将比“盖亚”高出400至600倍，使其有能力发现那些“系外地球”。这些行星随后可成为HWO的主力仪器——日冕仪——的后续重点探索目标。要达到这种极端精度，需要满足两个关键条件：配备真正先进的校准器，并获取海量的图像数据。
天体测量传感器本身并非新技术，数十年来天文学家一直用它来发现系外行星。它们通过精确测量恒星因行星轨道牵引而产生的微小“摆动”来探测行星。 仪器精度越高，能观测到的“摆动”幅度就越小，这意味着能够探测到质量更低的行星——好比地球与木星的质量差异。与其他系外行星探测技术相比，这种方法还具有一个重大优势：天文学家不仅能计算出行星的完整轨道，还能测定其“绝对质量”。
然而，测星仪有一个致命缺陷：它极易受到各种误差的影响。 这些误差来源多种多样，例如探测器本身的缺陷或镜面发生的微小偏移，这些因素累积起来会显著降低仪器的最终精度。
为解决此问题，研究人员提出了一项名为“探测器校准单元” (DCU) 的技术。该装置能在构成测星仪的CMOS传感器上生成明暗交替的条纹序列，从而在微小误差被放大之前就将其隔离并修正。通过校准CMOS视场内每个像素的精确位置，该技术可以确保多幅图像叠加时的稳定性。
多重成像技术是该测星系统成功的第二个关键要素。马尔贝博士的团队估算，HWO望远镜在3到4年的运行周期内，需要对单个目标进行超过一百次的独立测量，才能达到完全确认行星所需的精度。如此高的测量频次，旨在确保那些DCU未能校正的随机误差不会过度影响最终结果。通过融合数百张图像，残留的其他随机误差将相互抵消。
这项新技术还将带来一个额外价值，即在天体物理学的一个全新领域发挥作用——它能用于检验当前主流的“冷暗物质” (CDM) 理论。 CDM理论预测，星系中心存在暗物质的“尖峰” (cusp) 结构；但实际观测数据表明，这些区域虽然存在暗物质，其形态却更接近于“核心” (core) 结构。在“尖峰”结构中，暗物质因自身引力吸引更多暗物质聚集，导致星系中心附近的密度急剧上升。而在“核心”结构中，暗物质的分布相对均匀，星系任何区域都不存在密度的突然增加。
HWO的新型测星仪将能捕捉到暗物质“峰值”在折射光线时产生的细微摆动，这将为揭示暗物质扁平盘状结构的成因提供重要线索——无论其成因是超新星爆炸，还是暗物质本身的某种独特属性。
不过，该论文并非首次提出这一构想。马尔贝博士也是“提亚” (Theia) 任务提案的关键参与者，该提案采用了相同的基本原理，但原计划是作为一个独立任务发射。 “提亚”团队多年来一直在持续完善这一概念，因此将其搭载于HWO平台显得合乎逻辑，尤其是考虑到它能显著增强该天文台的主体任务效能。
毕竟，HWO的全称是“宜居世界观测台”，其核心使命正是探寻宜居行星。任何能够助力实现这一目标、甚至缩短探测周期的工具，都值得被纳入考量。 按照计划，HWO的实质性开发要到2030年代才会启动，发射时间更可能推迟至2040年代，因此仍有充裕的时间来实施这项改进。 关键在于，项目的管理者们是否愿意放手，让这个庞大计划的规模随着新需求的增长而扩展。
HWO的日冕仪被寄予厚望，用于“看清”那些遥远世界的大气。但在此之前，你必须首先知道该往哪里看。这台新增的测星仪，扮演的正是“引路人”的角色。它将从成百上千颗恒星的微弱“摆动”中，筛选出那些最有可能藏有“地球”的坐标。这是一场“广撒网”与“精捕捞”的协作。在望向深空的漫长旅程中，一个精确的罗盘，其价值不亚于一双锐利的眼睛。
如果HWY最终得以发射并发现了“第二个地球”，你认为那将对人类社会产生怎样的冲击？
作者：安迪·托马斯维克 (Andy Tomaswick)
来源：无敌浩克一点号