葵花形的“星影”(Starshade)将为WFIRST遮住恒星光线，使其专心观测周围的行星。图片来自网络

地球面临毁灭危机，人类移民新的家园，外星文明飞越光年的距离造访地球，这些都是科幻小说中常常出现的情景。人类能到哪里去?外星人能从哪里来?已成为困扰无数天文学家的难题。找到那些与地球类似的适宜人类生存的行星，则是破解这一难题的第一步。

日前，美国国家航空航天局(NASA)在到哪里寻找宜居行星和判断行星是否宜居上都有所突破。人类距离找到真正能够孕育生命和文明的系外行星又近了一步。

宜居行星范围大幅缩小

什么样的行星上可能存在生命?之前，科学家将恒星周围温度适合形成液态水的空间区域定义为“可居住带”，位于其中的行星具备产生生命的基本条件。但是，这种条件只适用于最基本的单细胞生物，与人类等高等动物完全不可同日而语。“宜居”势必比“可居”更为严苛。

近日，位于加州大学河滨分校的NASA天体生物学研究所“替代地球”科研团队在《天体物理学杂志》上撰文指出，考虑到二氧化碳等气体浓度，“可居住带”中大部分空间都无法满足高等动物的生存需要。

研究人员利用计算机模拟不同行星的大气气候和光化学反应。以二氧化碳为例，“可居住带”中离恒星较远的行星需要这种“温室气体”使气温达到冰点以上，但其浓度一旦过高则将成为足以致命的“有毒气体”。仅此一项就足以判断，对于人类等高等动物，“宜居区”不到“可居住带”的三分之一。

更重要的是，对于某些恒星系统来说，根本不存在任何“宜居区”。比如太阳系的两个邻居，“半人马座”比邻星和Trappist-1等温度较低、亮度较暗的恒星发出的紫外线辐射会导致其周围行星一氧化碳浓度过高。这种行星上可能存在微生物，但绝不能成为人类和高等动物的栖息地。

至今为止，天文学家已经发现了4000多颗系外行星。“这一发现提供了决定我们应该更详细地观察这些行星中的哪一个的方法。”克里斯托弗·莱因哈德说。

“星影”计划提高观测精度

人类航天器还不能去探测任何一个系外行星，只能通过天文望远镜观测。如果要确定一个行星是否宜居，必须获得行星大气的光谱信息，对于类似地球的“岩石行星”，唯一可靠的方法就是直接成像。但是，由于恒星的亮度往往是行星大气层反射光的数十亿倍，所以观测系外行星将面临其环绕的恒星光照的严重干扰。

为了解决这一难题，NASA堪称“脑洞”大开。首先，其计划于20世纪20年代中期发射广域红外勘测望远镜(WFIRST)，该望远镜的主镜直径达到2.4米，专门用于为“宜居行星”拍照。另外，NASA下属喷气推进实验室(JPL)将与系外行星探索计划(Exep)联合研制名为“星影(Starshade)”的航天器，为WFIRST遮住恒星的光线，使其专心观测周围的行星。

怎样使“星影”、WFIRST和目标恒星在太空中精确连成一线，使“星影”的影子正好投在WFIRST的镜头上?

根据JPL在6月11日发布的声明，“星影”、WFIRST之间的距离在20000—40000公里，大约是3—7倍的地球半径，且二者位置的横向误差必须保持在1米之内，堪称“超级精确”。JPL工程师迈克尔·巴顿表示，这相当于一个饮料杯垫在100公里的距离上对准一颗橡皮擦，偏差小于1毫米。

为了实现这一任务，巴顿为WFIRST专门开发了一套计算机程序来确定“星影”位置是否准确。同时，JPL工程师蒂鲍尔特·弗林诺瓦等人开发了一套控制算法，其依靠巴顿程序提供的信息来控制“星影”推进器的开关。

JPL认为，使用自动传感器和推进器控制来保持两个航天器超过“地球直径尺度”的完全对准。