有几个问题人类一直在思考，但在适当的科学进步出现之前，几乎无法令人满意地回答。像这样的问题：
宇宙是什么？
它从何而来？
怎么会变成这样？
它的最终命运是什么？
这些问题自古以来就伴随着我们，然而，在20世纪和现在的21世纪，由于物理学和天文学的惊人进步，这些问题终于得到了全面的答案。然而，也许最大的问题——“我们在宇宙中是孤独的吗？”——仍然是一个谜。
虽然现代的地面和太空望远镜可以带我们进入宇宙，但这是一个目前我们无法触及的问题。为了找到答案，我们需要找寻到地系外行星：大小和温度与地球相似的行星，并围绕类似太阳的恒星运行，而不是像ProximaCentauri或TRAPPIST-1这样的红矮星。这些正是美国宇航局新宣布的旗舰任务的目标：宜居世界天文台。这是一个雄心勃勃的项目，但非常值得。毕竟，发现我们在宇宙中并不孤单，很可能是整个科学史上最大的革命。
该动画显示了四颗超级木星行星直接在恒星周围的轨道上成像，其光线被称为HR的日冕仪阻挡。这里显示的四颗系外行星是最容易直接成像的，因为它们的尺寸和亮度很大，而且它们与母星的距离很大。对一颗距离类太阳恒星仅~1天文单位运行的地球大小的行星进行成像是一个更大的挑战：年运行的天文台都没有能力探测到这一点。
(学分：JasonWang（西北大学）/WilliamThompson（UVic）/ChristianMarois（NRCHerzberg）/QuinnKonopacky（UCSD））
今天，我们寻找外星生命的主要方式有三种。
我们正在远程探索太阳系中的世界，包括火星、金星、泰坦、欧罗巴和冥王星，通过飞越任务、轨道飞行器、着陆器甚至漫游车，寻找过去甚至现在简单生命的证据。
我们正在研究系外行星，寻找证据证明它们有生命，从表面到大气层，甚至更远的地方，基于可观察到的颜色、季节变化和大气含量的特征。
通过寻找任何可以揭示智能外星人存在的信号：通过SETI和BreakthroughListen等努力。
这三种方法都有其优点和缺点，但大多数科学家认为，第二种选择最有可能带来我们的第一次成功。
如果生命需要与地球上类似的条件，我们很可能是太阳系中唯一一个生命曾经发展、生存和繁荣的世界。如果附近没有智能的、积极传播的文明，SETI将不会产生任何积极的结果。但是，即使存在类似地球特性的一小部分世界也有生命，系外行星研究也可以取得成功，而其他两种选择则不会。我们在研究系外行星方面已经走了很长一段路：我们在银河系内有超过颗已知的、已确认的系外行星，我们知道大多数已确认其质量、半径和轨道周期。
尽管已知超过颗已确认的系外行星，其中一半以上被开普勒发现，但在我们的太阳系中没有发现的行星的真正类似物。木星类似物，地球类似物和水星类似物在目前的技术中仍然难以捉摸。
(学分：NASA/艾姆斯/杰西·多特森和温迪·斯坦泽尔;由E.西格尔注释）
不幸的是，这还不足以告诉我们这些世界中是否有人居住。寻找外星生命，我们需要的不止这些。我们还需要知道：
系外行星有大气层吗？
它有云、降水和天气周期吗？
它的大陆是否像地球上一样随季节而变成绿色和棕色？
它的大气中是否有暗示生物活动的气体或气体组合，它们是否像地球的二氧化碳水平那样显示出季节性变化？
今天，在执行这些测量的最前沿是天基JWST和地基10米级望远镜，执行直接系外行星成像和凌日光谱。
不幸的是，这还不足以实现我们的目标，即在类太阳恒星周围的类地轨道上测量地球大小的行星的特性。对于直接成像研究，我们可以拍摄木星大小的行星的照片，这些行星比土星与太阳的距离还要远：对气态巨行星有好处，但对于在岩石行星上寻找生命来说不是那么好。对于凌日光谱学，我们可以看到通过红矮星周围超地球大小世界的大气层过滤的光，但类太阳恒星周围的地球大小的行星远远超出了当前技术的范围。
当星光穿过凌日系外行星的大气层时，签名就会被印上。根据发射和吸收特征的波长和强度，可以通过凌日光谱技术揭示系外行星大气中各种原子和分子物种的存在与否。JWST无法获得类太阳恒星周围地球大小行星的光谱，但宜居世界天文台最终会。
(图片来源：ESA/DavidSing/PLAnetaryTransitsandOscillationsofstars（PLATO）任务）
这是一个充满希望的开端，但如果我们希望最终成功地找到和描述一个有人居住的星球，我们需要在此基础上再接再厉。目前，我们正在建造下一代地面望远镜，迎来GMTO和ELT的30米级望远镜时代，并期待NASA的下一个天体物理学旗舰任务：南希罗马望远镜，它将具有与哈勃相同的能力，但具有卓越的仪器，视野是哈勃望远镜的50-倍，以及一种日冕仪，它使我们能够在母星的眩光下对行星进行成像，这些行星比JWST能看到的要暗约0倍。
然而，即使有了这些进步，我们也只能在最近的红矮星周围获得地球大小的行星，在类太阳恒星周围获得超级地球或迷你海王星大小的行星。为了成像一个真正的类地行星，需要一个具有更大能力的改进天文台。
值得庆幸的是，我们的技术并没有停滞不前，我们对发现和探索的愿景也没有停滞不前。每个十年，美国国家科学院都会聚在一起概述天文学和天体物理学的最高优先事项，并提出建议作为十年调查的一部分。提出了四个旗舰任务：
Lynx，下一代X射线天文台，鉴于欧空局即将进行的雅典娜任务的范围缩小，这一点尤其重要，
Origins，下一代远红外天文台，填补了我们对宇宙波长覆盖的巨大空白，
HabEx，一种单镜望远镜，旨在直接对最近的类地行星进行成像，
LUVOIR，一个雄心勃勃的巨型分段望远镜，将是一个天文通用的“梦想”天文台。
理想情况下，在HabEx和LUVOIR的拟议能力之间，一个新的太空望远镜将足够大，可以直接对大量类地系外行星进行成像，同时仍然具有所需的特性，以使其保持在预算范围内，不需要开发全新的，未经测试的技术。
(图片来源：NASA/GSFC，LUVOIR概念）
虽然建议最终建造所有这四个，但最优先的任务是HabEx的放大版本，考虑到HabEx和LUVOIR的特点，形成宜居世界天文台。在许多方面，拟议的规范恰好在当前技术的可行性、我们不知道的发现潜力和成本效益之间的“最佳平衡点”，结合了从构建和启动JWST所经历的问题中吸取的经验教训。
到目前为止提出的规范非常令人鼓舞，包括：
分段光学镜设计，类似于JWST已经在使用的，
目前正在为罗马望远镜开发和测试的相同类型的日冕技术，
最新的传感器，可以控制各种镜段，实现~皮米级的稳定性，
计划与将于年代末/年代初飞行的下一代火箭兼容，
计划在距离地球~2万公里的L1拉格朗日点进行部件的机器人维修，
并且没有在开发/建设阶段之前尚未完全成熟的全新技术。
这是非常令人鼓舞的，因为它提出了一个可实现的计划，该计划并不特别容易受到延迟和超支的影响，主要是由于需要开发全新的技术，这些技术在JWST推出之前困扰了多年。
探测和描述一颗真正的类地行星的大气层的前景，即一颗位于其恒星宜居带的地球大小的行星，包括红矮星和更多类太阳恒星，是我们能够实现的。使用下一代日冕仪，大型紫外线-光学-红外任务可以找到数十个甚至数百个地球大小的世界进行测量。
(学分：美国国家科学院/Astro十年调查）
有了这些能力，宜居世界天文台将有一个极好的机会达到也许是天文学的圣杯：首次向人类揭示一个真正有人居住的星球。6.0至6.5米的设计尺寸与JWST相当，它应该能够直接成像地球~14光年范围内所有恒星周围的地球大小的行星。在这个游戏中，每一点额外的直径都很重要，因为如果你能把你可以看到行星的半径加倍，你就会增加搜索量和预期的物体数量八倍。在太阳附近，有：
距离地球9光年以内的10个恒星系统，
距离地球22光年以内的12个恒星系统，
距离地球40光年以内的15个恒星系统，
以及距离地球95光年以内的20个恒星系统。
根据其计划的设计，宜居世界天文台可以直接对20到30颗类地行星进行成像。如果生命在类似地球的世界中有~百分之几的机会，那么这项任务将能够发现我们太阳系以外的第一个有人居住的星球。也许，如果大自然是善良的，我们甚至可能会发现不止一个。
这张图显示了太阳系以外以太阳为中心的最近恒星系统的位置。如果你能把半径加倍到你能看到和测量的范围内，你就包含了八倍的体积，这就是为什么即使看到更远一点点的能力也会大大增加你找到非凡东西的机会，即使这是一种罕见的系统类型你正在寻找。
(图片来源：AndrewZ.Colvin/WikimediaCommons）
因为我们已经经历了开发许多前体技术的痛苦，包括与JWST一起使用的5层遮阳板，与JWST使用的折叠/分段镜面设计，以及罗马日冕仪中使用的可变形镜（目前正在用PICTURE-C进行测试，这是一个气球携带的实验），不应该有任何全新的或新颖的东西可以像JWST那样绊倒宜居世界天文台。
然而，所有新的发展都有随之而来的风险。机器人服务的想法令人鼓舞，因为我们以前做过机器人服务，但仅限于低地球轨道。在到L2的距离，1万公里处，即使是以光速发送的指令也有5秒的往返延迟。维修将需要火箭技术和目前不存在的自动化机器人技术。
实现~皮米级镜对准是一项技术挑战，需要远远超出当今可实现的~纳米级对准的进步。虽然这只需要对现有技术进行渐进式改进，但需要为此投入大量资源，目前正作为设计和设计前阶段固有的“技术成熟”进程的一部分加以投入。
一个不一定引起人们注意的一大担忧是目前设计的罗马日冕仪是否适合宜居世界天文台。JWST日冕仪的表现完全符合预期，使我们能够找到和成像那些亮度仅为10万分之一的行星，就像它们的母星一样。南希罗马望远镜预计比JWST提高0倍，因为他们的可变形日冕镜正在优化，以处理从完美的圆形日冕仪形状出现的干涉图案和杂散光。
然而，有一个问题：南希罗马望远镜的日冕仪比JWST的性能好得多的原因之一是因为JWST有一个分段设计的平铺镜，而南锡罗马望远镜将有一个单一的圆形整体镜子。JWST镜子的形状是为什么它的所有恒星和明亮的点光源周围都有“雪花状”的衍射图案：这只是其光学几何形状的数学结果。
詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的点扩散函数，正如年的一份文件所预测的那样。六边形（非圆形）主镜的四个因素由一组18个平铺六边形组成，每个六边形之间有~4毫米的间隙，并带有三个支撑支柱将次镜固定到位，所有这些都是为了创建不可避免的一系列尖峰，这些尖峰出现在用JWST成像的亮点源周围。这种模式被许多JWST的仪器科学家亲切地称为“噩梦雪花”。
(图片来源：R.B.Makidon，S.Casertano，C.CoxR.vanderMarel，STScI/NASA/AURA）
但日冕仪本质上是圆形的，不能轻易“消除”从任何锋利边缘引入的杂散光，包括：
六角形瓷砖，
镜子外边缘的“角”，
以及各个段之间的~毫米大小的“间隙”。
与JWST的设计类似，这似乎是宜居世界天文台要解决的一个非常大的问题，特别是因为它需要在10亿分之一的水平上成功的日冕仪来拍摄类似太阳恒星周围的类地世界：比罗马日冕仪还要好倍。
这位艺术家的概念展示了与星罩对齐的太空望远镜的几何形状，这是一种用于阻挡星光的技术，以揭示围绕该恒星运行的行星的存在。在数万公里之外，星罩和望远镜必须实现并保持完美对准，以实现直接系外行星成像。与日冕仪相比，星影的光学系统更胜一筹，但在任何给定的时间内可以探测到的恒星系统要少得多。
(学分：美国宇航局/JPL-加州理工学院）
一个潜在的解决方案是，与宜居世界天文台一起发射一颗恒星遮光罩，或者甚至在这之后，在恒星到达宜居世界天文台的主镜之前阻挡恒星的光线。虽然这在技术上是可行的，但它既昂贵又有效；每当它想要转换目标时，它必须相对于天文台行进约公里。总而言之，它可能有助于每年拍摄一两个系统的图像，但这是上限。
也许应该考虑的一个疯狂的解决方案不是建造一个传统的分段镜，而是一系列的圆，类似于正在建造的巨型麦哲伦望远镜的光学设置。它有七个完美的圆而不是18+个平铺的六边形，它具有所有七个圆组合的面积的聚光能力，但主反射镜安装直径的分辨率。采用这种设计：
消除了类似JWST设计的所有杂散光问题
已经开发的可折叠主镜技术仍然可以使用
正在跨镜面开发的皮米级稳定性技术仍将适用
而不是单个次镜和/或单个日冕仪，七个部分中的每一个都可以获得自己的，
而且，作为奖励，不需要电线穿过主镜光学器件，因为副镜可以用导线固定到位，这些导线穿过圆形段的间隙之间：这正是为什么巨型麦哲伦望远镜将成为第一个没有衍射尖峰的世界级天文台。
25米高的巨型麦哲伦望远镜目前正在建设中，将成为地球上最大的新地面天文台。蜘蛛手臂将次镜固定到位，经过特殊设计，使它们的视线直接落在格林尼治标准时间镜子的狭窄间隙之间，创造出宇宙的视图，没有镜子的尖角或恒星周围的衍射尖峰。如果适用于即将到来的宜居世界天文台，这种设计可能是革命性的。
(图片来源：巨型麦哲伦望远镜/GMTOCorporation）
通过正确的设计和实现，我们可以看到一个宜居世界观测站：
最早在年代末/年代初推出，
这是按预算和准时，
拥有必要的架构来实现其观测目标，而无需星罩，
完全可加油，其仪器完全可维修和更换，
在未来的任何时候都可以添加星罩，
这很可能成像足够多的“类地”行星，以发现至少一颗（甚至不止一颗）实际居住的系外行星。
在设计这架望远镜时，需要解决的一个大问题是，在它可以直接成像多少个类似地球的候选望远镜与望远镜有多大、多昂贵之间进行权衡。虽然6到7米的范围似乎是最佳点，但噩梦般的场景是我们建造这个天文台有点太小，成本保守，无法找到我们最终寻找的东西：一个有人居住的外星球。
我们必须记住，在寻找地球以外的生命时，我们正在玩一种赔率未知的彩票。我们成像和描述的每个类地行星都代表一张彩票：一张彩票，所有奖品的赔率都是未知的。我们成功的机会完全取决于哪些彩票是赢家，以及我们是否购买了足够的彩票。困难的部分是，在宜居世界天文台的发现出来之前，我们不会知道这些几率实际上有什么有意义的限制，所以这取决于我们以这样一种方式构建它，即我们至少成功的几率尽可能大。如果我们这样做了，我们可能最终会得到“我们在宇宙中孤独吗？也许，我们会肯定地知道答案是，“不，还有其他人。