恒星 如何寻找另一个地球( 二 )
自从1999年发现第一颗凌星系外行星以来，开普勒太空望远镜和凌星系外行星巡天卫星（TESS）又发现了数千颗行星，而且这个数字还在继续增长。其中大多数都不同于我们太阳系中的任何天体。有些巨大如木星，轨道离宿主恒星非常近，使得水星的阳面很寒冷。另一些是像海王星或天王星但小得多的气体行星，或者是像地球一样但大得多的岩石行星。
通过对大量结果的统计分析，天文学家推断，银河系一定是数十亿颗像地球一样的岩石行星的家园，这些行星在其宿主恒星的宜居区内绕轨道运行。参加“开普勒任务”的科学家最近发表了一项研究，他们估计，银河系中至少有7%甚至一半的类日恒星拥有潜在的宜居世界。因此我们相信，有了足够灵敏的仪器后，我们应该能够探测到其他地球。
不过要做到这一点，天文学家必须测量行星的质量、大小和轨道周期，这意味着要测量它的多普勒摆动和凌星情况。开普勒和TESS提供的大量数据（有许多数据尚待分析）包括了凌星角度。现在，我们和其他天文学家需要对多普勒摆动进行更高精度的测量。
NEID是寻找地球2.0竞赛的参赛者，它同时具备更高的稳定性和更好的校准水平，能够提高多普勒测速的精度。我们的设计以欧洲天文学家在21世纪所做的工作为基础，他们建造了“高精度径向速度行星搜索器”（HARPS），它能很好地控制温度、振动和压力，从而在不牺牲精度的情况下，如实地跟踪恒星光多年来发生的细微的多普勒频移。
2010年，我们和该领域的其他专家齐聚宾州州立大学，一起交流意见和讨论对未来的期望。自2002年以来，HARPS一直在创造轰动世界的发现；美国的工作似乎有点落后。美国国家科学院最新的一份十年期评估报告则建议实施一项“激进的计划”以重新夺回领先地位。
参加研讨会的天文学家起草了一封写给美国国家航空航天局和美国国家科学院的信，敦促他们调试一台新的光谱仪，将其安装在亚利桑那州基特峰国家天文台3.5米口径的WIYN望远镜上。（“WIYN”是4家创始机构名称的缩写。）NEID则由一个国际财团在宾州州立大学建造。
文章插图
就像之前的HARPS一样，为了在长期观测中实现前所未有的稳定性，NEID结合了新技术与新方法。仪器中的任何微小变化都可能导致分散的星光在探测器上发生蠕变，这些变化包括温和压力的变化、星光照亮光学元件的方式变化，以及仪器的铝结构在老化过程中几乎无法察觉的膨胀。这可能无法与多普勒频移区分，并且会破坏我们的观测。我们要测量的摆动仅仅表现为传感器上飞米级的频移，与组成探测器的原子的大小相差无几，所以必须让所有环节保持超高的稳定性。
首先要对和汽车一样大的仪器进行精密的热控制。我们需要使用一个带有精确热反馈系统的真空室，还要设计特殊的电子器件，防止出现可变加热，而我们常用的传感器就会发生可变加热。
不过，我们无法建立一种完全稳定的工具，所以要依靠校准来完成剩下的工作。以前的仪器使用的是含有钍或铀的专用灯，这种灯能发出数百种具有不同波长的光，可用于校准光谱探测器，但是这些灯会随着使用年限的增长而变化。
NEID依靠的是激光频率梳，这是一种获得过诺贝尔奖的技术，它能产生数百束均匀分布、达到频率峰值的激光。激光频率梳的精度高于千万亿分之几，仅受最佳原子钟的限制。使用激光频率梳定期校准仪器，我们可以解决任何剩余的不稳定性问题。
在太空中的某个地方，另一个地球正在绕着它的恒星运转，而恒星则围绕着它们共同的重心缓慢地摆动。在1年左右的时间里，恒星的光谱会稍微向红色移动，然后再向蓝色移动。星光到达基特峰时，望远镜会将其聚焦在一根玻璃光纤的尖端，通过导管将光线引到天文台的内部，使其进入一个专门用于容纳NEID仪器的房间。
每次观测时，焦点必须以完全相同的方式照射光纤；任何变化都可能导致探测器的照明图案发生微小变化，就像恒星多普勒频移一样。有着25年历史的WIYN望远镜并不是为这类工作而设计的，因此为了确保一致性，我们在威斯康星大学麦迪逊分校的同事们建立了一个界面，它可以每秒监视星像的焦点和位置多达数百次，并且可以进行快速调整以保持焦点稳定。
地下的隔热房间内有一个强大的加热和冷却系统，它能够使真空室保持在20℃的恒温。NEID光谱仪组件所处的真空室内的压力不到标准大气压的百万分之一，泵和“吸气器”的结合（包括2公升的低温木炭，散逸的气体分子可附着在上面）可以防止压力发生微小变化。
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