在阴影下

一位搜寻外星世界的astronomer 和一位在阳光明媚的下午追踪飞球的外野手面临着一个共同的挑战。他们都遇到了“对比度”的问题。简而言之，他们寻找的物体不仅很小，而且与附近耀眼的恒星相比，极其微弱。棒球运动员已经学会通过伸出手臂挡住阳光来解决这个问题。天文学家可能也想尝试类似的方法。

当然，对于行星猎人来说，这要困难得多。例如，在我们太阳系中，地球发出的可见光比太阳暗100亿倍。麻省理工学院的天文学家萨拉·西格在她写的一本书《外面有生命吗？》中写道：“试图在另一颗恒星周围看到一个地球双胞胎，‘就像试图在距离2600英里远的一个巨大探照灯旁边看到一只不到一英尺远的萤火虫——而探照灯在闪烁。’”需要一个恰到好处的、比例完美的屏幕才能挡住探照灯，但又不挡住萤火虫。

十多年前，科罗拉多大学的天文学家韦伯斯特·卡什设计了一种可能实现这一壮举的太空设备。它类似于一个没有绳子的黑暗、花形风筝，这个由火箭驱动的屏幕将进入轨道，阻挡目标恒星的光线。然后，一个伴随的望远镜可以置于阴影中，在不被致盲的情况下检查恒星的环境。从那时起，卡什一直痴迷于让他的所谓“星罩”起飞，但他从美国宇航局那里获得的鼓励甚少。（尽管卡什创造了“星罩”这个词并为第一个实际设计申请了专利，但他并非该想法的发明者。在1962年的一篇论文中，天文学家莱曼·斯皮策就曾提出使用“遮蔽盘”来辅助探测其他恒星周围的行星。）

2008年至2014年间，美国宇航局连续拒绝了卡什的12项提案。但他说，事情终于开始好转了。最近几个月，该机构的态度开始改变，即将进行的轨道天文台很可能会配备星罩配件。然而，在空间屏蔽器被纳入官方的行星探测任务之前，卡什决心以任何必要的方式来测试它们——无论它们是安装在岩石山峰的顶部，悬挂在高空热气球上，还是甚至悬挂在一个漂浮的飞艇上。“21世纪的天文学将是关于系外行星的，”他说。“美国宇航局说他们没有钱去做。我说他们不去做才没钱。”

追逐正确的光

卡什在8岁时就迷上了天文学，在听了一场关于搜寻地外智慧生命的讲座后，他放弃了对恐龙和中世纪历史的早期兴趣。“那是一场精彩的演讲，”他回忆道。“我走出那里就想成为一名天文学家，这一点从未改变。”在卡什卷入星罩之前，这位63岁的科学家在为哈勃太空望远镜、远紫外光谱探测器、XMM-牛顿天文台和其他大型天文学任务设计设备方面取得了丰硕的成果。然而，当他感觉到自己原来的X射线天文学领域的资金正在枯竭时，他开始考虑用于研究其他恒星周围行星的新工具。

奇特的 Exo-S

2013年，星罩进入主流，当时美国宇航局委托进行一项研究，由麻省理工学院的萨拉·西格主持，这项研究是关于一项名为 Exo-S（Exoplanet-Starshade 的缩写）的假设性、价值10亿美元的任务。这项任务的核心将是一个直径30米的星罩，与一个1.1米的望远镜协同工作，以寻找和研究系外行星。

尽管卡什是提交 Exo-S 最终报告的科学团队成员，但令他沮丧的是，美国宇航局只为研究拨了款，而不是为实际任务拨款。但西格强调了这项分析的重要性，它为任务确立了科学目标，编制了暂定的目标恒星列表，并评估了星罩的设计和在太空中的实施策略。“我们必须向世界证明，星罩是天文学家工具箱的一部分，”她说。

随着美国宇航局可能将星罩纳入即将推出的广域红外巡天望远镜任务，卡什很高兴能在十年左右的时间里看到一项由美国宇航局批准的星罩任务起飞，“在我70多岁的时候，而不是80多岁或更晚。”

这种兴趣使他于2004年底在科罗拉多州博尔德与航空航天公司诺斯罗普·格鲁曼的代表会面。卡什认为该公司是“太空可展开结构领域的全球领导者”，他们渴望为未来的系外行星任务开发技术。他们寻求卡什的创意投入，卡什在类似太空任务方面的贡献是众所周知的。诺斯罗普·格鲁曼特别希望就使用外部屏蔽器来寻找地球双胞胎提供建议。起初，卡什并不热情。

对他来说，交易的破裂是衍射问题——光线倾向于绕过光学障碍物的边缘弯曲，从而破坏了获得行星清晰高分辨率视图的任何希望。“你可以看到海浪绕过海浪，”卡什解释道，就像声波绕过建筑物拐角一样。“光波也是如此。”

但诺斯罗普·格鲁曼的工程师乔恩·阿伦伯格坚持让卡什解决这个问题，询问是否有办法解决这个问题。尽管他最初否定了这种可能性，但卡什很快就认为阿伦伯格可能说对了。据卡什所知，多年来没有人认真研究过这个问题。他越想越觉得值得“尝试解决这个问题”。他决定试一试。

阴影是如何形成的

从2004年11月开始，卡什花了六个月的时间探索理论可能性，测试了各种形状，希望能够控制衍射——这项工作得到了美国宇航局高级概念研究所（NIAC）的一笔小额资助。卡什解释说，找到最佳形状归结为一个数学问题。

他尝试了100个不同的方程，每个方程都与一种不同的花形相关，以观察它们在对抗衍射方面的表现。他编写了复杂的计算机代码并进行了冗长的计算，但他的结果都没有成功。“当你不知道是否有更好的解决方案时，花费所有时间是很困难的，”卡什说。

灵感最终在2005年4月出现。在他之前所有的设计中，花瓣就像睡莲一样从圆形的中心直接向外扇开。这一次，他尝试了一些不同的东西，在他的阴影中间放了一个黑色的圆形圆盘，从那里伸出12到16片花瓣——更像雏菊的图案。卡什表示，原则上，这种排列可以将恒星的眩光减少100亿倍，这正是观察其主星附近地球双胞胎所需的减少量。一个由薄黑色塑料制成的、直径约50米的阴影就可以完成这项工作。如此大小的结构足够轻便，可以发射并可靠地部署在太空中，保持“清晰的边缘”，从而阻挡恒星，同时显露出其附近的行星。“据我所知，韦伯是第一个通过证明星罩可以更小、更轻、因此更可行，从而将星罩变成一个实际想法的人，”NIAC负责人杰伊·福尔克说。

观察新世界

2005年晚些时候，NIAC资助了科罗拉多大学、诺斯罗普·格鲁曼航空航天系统公司和普林斯顿大学对星罩概念进行的为期两年的架构研究。由此产生的计划要求两艘航天器——星罩和轨道望远镜——一起发射并在太空中分离，或者分别升空。无论哪种方式，星罩将利用推进器机动到距离望远镜约5万公里处的一个位置，在那里它可以挡住恒星。

在检查完一个行星系统后，望远镜将转向下一个目标，星罩将飞往一个新的、战略性选择的地点——这将需要两艘航天器之间精确但技术上可行协调。

沙漠中的试验

在星罩进入外太空之前，研究人员将不得不满足于在家附近进行的实验。在2014年5月和9月的夜晚，一个由诺斯罗普·格鲁曼领导的团队——包括史蒂文·沃里克、卡什的研究生安东尼·哈内斯和喷气推进实验室的基思·帕特森——在内华达州的一个干涸的湖床上进行了测试。

他们将小型（1到2英尺宽）星罩放置在三脚架上的望远镜和2公里外排列的五个光源（LED）的中间。最亮的LED模拟了恒星，而较暗的LED则代表行星。在星罩的帮助下，他们能够看到比假恒星暗1亿倍的“行星”。

随后的测试使他们能够分辨出比假恒星暗10亿倍的目标。目前的限制是多尘的沙漠空气，它会模糊他们的视线。在太空中，由于没有尘埃的干扰，应该可以对如此微弱的物体实现更高的灵敏度。与此同时，卡什说，科罗拉多州的山脉也可以做到。

卡什在2006年的一篇论文中提出了这个概念，同年晚些时候，该团队提议美国宇航局将一个星罩与即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜一起飞行，这是一个直径6.5米的仪器，目前计划于2018年发射。如此强大的望远镜，再加上一个直径50米的星罩，将使天文学家能够研究30光年内的类地行星，直接拍摄系外行星的照片并分析它们的光。

在此过程中，他们可能会识别出行星的表面特征——如海洋、大陆、冰盖甚至云层——并探测到生物标记物，如氧气、甲烷和水。卡什说，目前还没有人能够做到这一点。“据我所知，星罩是唯一可行的、负担得起的、至少在纸面上能让我们看到其他地球这种景象的技术。”

不幸的是，卡什说，美国宇航局官员拒绝了这项提议，原因至今不明。他怀疑，问题的核心在于，机构决策者倾向于回避创新，因为他们厌恶风险，“所以他们最终会建造他们已经飞过的天文观测站的更大版本。”尽管来自美国宇航局的援助微薄，卡什还是得到了诺斯罗普·格鲁曼的帮助。但他们并没有提供资金，而是提供“实物支持”，由该公司提供将星罩理念变为现实所需的实验室资源——包括工程分析和测试。NIAC的福尔克一直对美国宇航局对星罩的犹豫不决感到失望，尤其是考虑到该机构对系外行星勘测的重视程度。福尔克说，卡什在十年前就出色地构思了他的星罩任务，“但他没有获得任何后续发展的机会，这令人沮丧。”

观测的驱动力

卡什和安东尼·哈内斯希望在犹他州博纳维尔盐滩进行一次试验，将星罩带入天文学领域——这里以其黑暗的天空、平坦开阔的地形和环绕的山脉而闻名。在将一个星罩安放在一座小山上后，他们将把一架望远镜安装在一辆卡车上，然后等待恒星躲在阴影后面。通过以每小时几英里的速度在卡车上移动望远镜，他们理论上可以持续约半小时获得良好的观测效果。

不幸的是，他们从未获得资金。虽然这可能在未来发生，但卡什已经找到了另一种替代方法：诺斯罗普·格鲁曼的史蒂文·沃里克和哈内斯一直在使用亚利桑那州基特峰的麦克马斯太阳天文台来创建一个不动的恒星图像，并将一个星罩置于该光束中。他们发现了新的恒星，这些恒星以前由于靠近明亮的织女星而未被编目。

在过去一年里，情况似乎有所改善，目前正在认真考虑将星罩纳入下个十年提议的广域红外巡天望远镜任务。卡什说，美国宇航局计划在今年设立一个“星罩项目办公室”。“这终于是对星罩价值的 proper 认可。”

“人们说，如果你坚持足够长的时间，事情就会改变，”卡什说。“我通常不相信这一点，但看起来沮丧的隧道尽头可能真的有光。”或者，如果他真的幸运，也许那光会被星罩挡住。

半人马座阿尔法或 bust

卡什将一个特别雄心勃勃的星罩实验命名为“半人马座阿尔法任务”，旨在以前所未有的方式观察离地球最近的恒星系统，距离仅4.3光年。

最初的计划是将一个星罩悬挂在加州美国宇航局艾姆斯研究中心的246英尺长的飞艇上。到了晚上，当飞艇到达天空中合适的位置时，地面上的望远镜就可以开始探索目标恒星的邻近区域。卡什的学生安东尼·哈内斯花了2012年大部分时间研究如何精确控制飞艇的位置。但计划在2012年11月落空，当时飞艇公司关闭了其美国业务，并将飞艇运回德国。

卡什还获得了美国宇航局的授权，将在莫哈韦沙漠发射几枚携带星罩的火箭。第一次火箭飞行发生在去年夏天，显示该系统相当稳定，但不足以在科学上发挥作用。

卡什和哈内斯不甘示弱，正在追求一个更宏伟的策略：将一个星罩悬挂在高空热气球上，然后从一架飞机（机翼上绑着望远镜）上进行观测，该飞机在星罩的阴影中飞行。卡什说，如果这种实验被证明是成功的，它将开创一种全新的科学。“我们可以进入半人马座A和B的宜居带，并清晰地看到这两个行星系统。这是未被探索、未被发现的领域。”