我們?nèi)绾尾拍懿蹲降筋?lèi)似地球的系外行星的照片？用太陽(yáng)!

圖解：藝術(shù)家繪制的關(guān)于比鄰星b的表面的概念圖，圖源：ESO/M. Kornmesser

目前最大的望遠(yuǎn)鏡也無(wú)法捕捉到離我們最近的已知類(lèi)地系外行星——比鄰星b。如果人類(lèi)想獲得一個(gè)這樣遙遠(yuǎn)世界的照片，我們需要思考得更遠(yuǎn)。

如果我們想獲得這樣的照片，其中一種方法是利用太陽(yáng)。太陽(yáng)的引力使它周?chē)目臻g彎曲，而這種彎曲能夠使光的路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在適當(dāng)?shù)木嚯x下，太陽(yáng)可以被 當(dāng)作為一個(gè)巨大的放大鏡，提供拍攝系外行星所需的分辨力。

那么，該如何才能將望遠(yuǎn)鏡送到令人難以置信的遙遠(yuǎn)地方呢？一個(gè)天文學(xué)家小組建議使用一個(gè)巨大的光帆來(lái)推動(dòng)航天器到達(dá)那里。

天文學(xué)家們正在尋找一顆圍繞著類(lèi)似太陽(yáng)的類(lèi)地行星，其距離恰好可以讓液態(tài)水在其表面存在。但科學(xué)家們至今還沒(méi)有找到那顆行星，盡管人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)4000顆已知的系外行星，令人印象深刻。

絕大多數(shù)系外行星的搜尋工作都依賴(lài)于對(duì)非常小、非常遙遠(yuǎn)的物體的觀測(cè)。通常，天文學(xué)家擁有的數(shù)據(jù)對(duì)象可能比一個(gè)像素還要小，他們觀察亮度變化或光的光譜變化來(lái)確定系外行星的存在。

在少數(shù)罕見(jiàn)的情況下，天文學(xué)家已經(jīng)能夠拍到系外行星的照片，但那些都是非常特殊的情況，例如附近的、絕對(duì)巨大的行星。

即使我們找到了一個(gè)地球2.0，我們也無(wú)法拍下它的照片。舉個(gè)例子，最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡即將是智利的Vera C. Rubin天文臺(tái)，其孔徑為8.4米（27.6英尺）。那是一個(gè)真正的巨型望遠(yuǎn)鏡。但是，如果我們把它對(duì)準(zhǔn)比鄰星b--最近的已知系外行星，距離大約4光年。在這個(gè)距離上，它的分辨能力將達(dá)到120萬(wàn)英里（190萬(wàn)公里），大約是地球?qū)挾鹊?50倍。

其他即將投入使用的望遠(yuǎn)鏡，如智利的極大型望遠(yuǎn)鏡和夏威夷的三十米望遠(yuǎn)鏡，將無(wú)法在這個(gè)數(shù)字上取得多大的突破。我們所有計(jì)劃中的天文臺(tái)，包括空間和地面的，在未來(lái)的幾十年里，將永遠(yuǎn)無(wú)法看到外星的任何東西，而只是一個(gè)光的像素。

圖解：藝術(shù)家繪制的太陽(yáng)帆概念圖。圖源：美國(guó)宇航局

彎曲的重力

假設(shè)我們真的確認(rèn)了地球2.0的存在；我們找到了一個(gè)可居住的世界，并且通過(guò)光譜學(xué)，我們確定生命可能已經(jīng)找到了一個(gè)立足點(diǎn)。我們?cè)趺纯赡芘南滤恼掌兀?/p>

答案就在于引力。根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，物質(zhì)和能量會(huì)彎曲它們周?chē)臅r(shí)空。光會(huì)被迫跟隨這種空間的彎曲；無(wú)論空間彎曲到哪里，光都必須跟隨。

英國(guó)天體物理學(xué)家阿瑟·愛(ài)丁頓正是利用這種光的偏轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行廣義相對(duì)論的第一次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，他研究了日食期間光線擦過(guò)太陽(yáng)表面的星星的偏轉(zhuǎn)。由于空間的彎曲，恒星出現(xiàn)在天空中錯(cuò)誤的地方，其距離完全由愛(ài)因斯坦的方程所預(yù)測(cè)。

這樣的作用就像一個(gè)透鏡。而透鏡不僅僅用具聚焦光線；它們還能放大光線。如果你把太陽(yáng)想象成一個(gè)巨大的放大鏡，你所要做的就是把一個(gè)航天器放在這個(gè)透鏡的焦點(diǎn)處，以利用其放大能力。

這是一個(gè)多大的力量呢？太陽(yáng)的引力可以像一個(gè)具有幾千億放大力的透鏡。一個(gè)利用這一點(diǎn)的航天器，在比鄰星系上進(jìn)行訓(xùn)練，將具有幾英里的分辨力。這將使它能夠繪制出大陸、海洋、冰蓋，甚至可能是生物群落。這將是了解我們周?chē)钪娴囊粋€(gè)非常強(qiáng)大的窗口。

但也存在一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)焦點(diǎn)，也就是我們需要放置望遠(yuǎn)鏡以利用太陽(yáng)引力透鏡的位置，距離大約550個(gè)天文單位（AU）。一個(gè)AU是地球和太陽(yáng)之間的平均距離--大約9300萬(wàn)英里（1.5億公里），所以這意味著焦點(diǎn)將需要在550個(gè)地球-太陽(yáng)距離之外。這幾乎是冥王星的20倍之遠(yuǎn)。旅行者1號(hào)，比其他任何航天器離地球都要遠(yuǎn)，目前離太陽(yáng)大約40AU。

那么，我們?nèi)绾螌⒁凰液教炱魉偷饺绱诉b遠(yuǎn)的目的地呢？一個(gè)天文學(xué)家小組提出了一個(gè)解決方案：使用光帆。

在他們7月份發(fā)布在預(yù)印本服務(wù)器arXiv上的一篇論文中，研究人員建議使用一個(gè)不超過(guò)220磅（100公斤）的航天器，附著在一個(gè)巨大的光帆上，一個(gè)模仿船帆的巨大薄片。光帆將利用來(lái)自太陽(yáng)的光來(lái)推動(dòng)航天器，可能每年行駛約20AU。這將使望遠(yuǎn)鏡--它不需要那么令人印象深刻，因?yàn)樘?yáng)將做大部分的工作--在不到四分之一世紀(jì)內(nèi)到達(dá)太陽(yáng)焦點(diǎn)。考慮到設(shè)計(jì)、建造和發(fā)射像韋伯太空望遠(yuǎn)鏡這樣的儀器需要多長(zhǎng)時(shí)間，這并不是一個(gè)很大的問(wèn)題。

盡管如此，光帆還沒(méi)有被部署到太空旅行中。這需要在材料科學(xué)和工程方面有一個(gè)巨大的飛躍，才能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)真正能夠推動(dòng)航天器的輕質(zhì)帆。因此，未來(lái)的系外行星成像器可能是下一代天文學(xué)家的事，但至少它不是科幻小說(shuō)。

BY: Paul Sutte

FY:秋白

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