美國(guó)宇航局廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（WFIRST）將搜索太陽(yáng)系外的行星，朝向我們銀河系的中心，那里是大多數(shù)恒星所在的地方。研究系外行星世界的性質(zhì)，將有助于我們了解整個(gè)銀河系的行星系統(tǒng)是什么樣子，以及行星是如何形成和演化的。

將廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡的發(fā)現(xiàn)與美國(guó)宇航局（NASA）的開普勒望遠(yuǎn)鏡和凌日系外行星調(diào)查衛(wèi)星“苔絲”號(hào)(TESS)任務(wù)的結(jié)果結(jié)合起來(lái)：

將完成第一次對(duì)廣泛的行星質(zhì)量和軌道等信息的行星普查，使我們距離發(fā)現(xiàn)地球以外的宜居類地世界又近了一步。到目前為止，天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多系外行星，當(dāng)它們?cè)诒环Q為凌日的事件中從宿主恒星前面經(jīng)過(guò)時(shí)，恒星的光線會(huì)暫時(shí)變暗。廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)凌日，但任務(wù)將主要觀察相反的效果：一種名為引力微透鏡的時(shí)空彎曲現(xiàn)象使光線彎曲并產(chǎn)生微小輻射激增。

這些事件比凌日事件要少見(jiàn)得多，因?yàn)樗鼈円蕾囉趦深w相距甚遠(yuǎn)、互不相關(guān)的恒星在太空中漂移的偶然性排列。位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心引力微透鏡小組的負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·貝內(nèi)特(David Bennett)說(shuō)：來(lái)自行星的微透鏡信號(hào)罕見(jiàn)而短暫，但比其它方式發(fā)出的信號(hào)更強(qiáng)。由于這是萬(wàn)分之一的事件，廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡尋找低質(zhì)量行星的關(guān)鍵是搜索數(shù)億顆恒星。

時(shí)空彎曲的微透鏡

此外，微透鏡在發(fā)現(xiàn)宜居區(qū)內(nèi)外的行星方面做得更好，宜居區(qū)是指行星表面可能存在液態(tài)水的軌道距離。當(dāng)光線經(jīng)過(guò)一個(gè)大質(zhì)量天體體附近時(shí)，因?yàn)閻?ài)因斯坦的廣義相對(duì)論效應(yīng)，導(dǎo)致時(shí)空彎曲（扭曲）就會(huì)產(chǎn)生這種效果（如下3張演示圖）。任何有質(zhì)量的東西都會(huì)扭曲時(shí)空結(jié)構(gòu)，有點(diǎn)像保齡球放在蹦床上時(shí)產(chǎn)生的凹痕。

光以直線傳播，但如果時(shí)空發(fā)生彎曲（如這發(fā)生在像恒星這樣的大質(zhì)量物體附近）光就會(huì)沿著曲線運(yùn)動(dòng)。在任何時(shí)候，當(dāng)兩顆恒星從我們的有利位置近距離排列時(shí)，來(lái)自較遠(yuǎn)恒星的光線在穿過(guò)較近恒星的扭曲時(shí)空時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲。這一現(xiàn)象是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言之一，1919年英國(guó)物理學(xué)家亞瑟·愛(ài)丁頓爵士在一次日全食中證實(shí)了這一點(diǎn)。

如果排列特別近，較近的恒星就像一個(gè)天然宇宙透鏡，聚焦和加強(qiáng)來(lái)自背景恒星的光線。圍繞前景恒星運(yùn)行的行星也可能會(huì)改變透鏡光，充當(dāng)它們自己的微小透鏡。行星造成的扭曲，使天文學(xué)家可以測(cè)量這顆行星的質(zhì)量和與其主恒星的距離，這就是廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡將如何使用微透鏡來(lái)發(fā)現(xiàn)新是系外行星世界的原理。巴吞魯日路易斯安那州立大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)助理教授馬修·佩尼說(shuō)：

今天試圖解釋行星數(shù)量，就像試圖解讀一幅一半被遮蓋的圖片一樣。佩尼領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)預(yù)測(cè)廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡微透鏡探測(cè)能力的研究，為了完全了解行星系統(tǒng)是如何形成的，需要找到近乎所有距離的行星。沒(méi)有一種技術(shù)可以做到這一點(diǎn)，但廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡的微透鏡測(cè)量，結(jié)合開普勒和TESS的結(jié)果，將揭示更多的情況。

熟悉又陌生的系外行星

到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4000多顆確認(rèn)的系外行星，但只有86顆是通過(guò)微透鏡發(fā)現(xiàn)的。通常用來(lái)尋找其他星球的技術(shù)偏，向于那些與太陽(yáng)系中行星非常不同的行星。例如，凌日方法最適合于尋找軌道比水星小得多的類海王星行星，然而對(duì)于我們這樣的太陽(yáng)系，凌日法可能會(huì)錯(cuò)過(guò)很多顆行星。

廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡的微透鏡觀測(cè)，將幫助天文學(xué)家找到太陽(yáng)系中除水星以外每一顆行星的相似之處，水星的小軌道和低質(zhì)量結(jié)合在一起，使其超出了任務(wù)范圍。廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡將發(fā)現(xiàn)質(zhì)量相當(dāng)于地球甚至更小的行星，甚至可能是大衛(wèi)星，比如木星的衛(wèi)星木衛(wèi)三。廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡還將在其他研究較少的類別中發(fā)現(xiàn)行星，微透鏡最適合于從恒星的宜居帶和更遠(yuǎn)的地方尋找系外行星。

這包括像我們太陽(yáng)系中的天王星和海王星這樣的冰川巨星，甚至還有流氓行星——自由漫游在銀河系的世界，不受任何恒星的束縛。雖然冰川巨星在我們的太陽(yáng)系中只占少數(shù)，但2016年的一項(xiàng)研究表明，冰川巨星可能是整個(gè)銀河系中最常見(jiàn)的行星類型。廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡將對(duì)這一理論進(jìn)行檢驗(yàn)，并幫助我們更好地了解哪些行星特征是最普遍的。

銀河系核心中隱藏的寶石

廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡將探索由于之前任務(wù)的不同目標(biāo)，而尚未系統(tǒng)搜尋系外行星的銀河系區(qū)域。例如，開普勒望遠(yuǎn)鏡搜索了一個(gè)大約100平方度的中等大小區(qū)域，在大約1000光年的典型距離上有10萬(wàn)顆恒星。苔絲號(hào)（TESS）掃描整個(gè)天空，跟蹤20萬(wàn)顆恒星，但它們的典型距離約為100光年。廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡將搜索大約3平方度，但將跟蹤大約1萬(wàn)光年距離的2億顆恒星。

由于廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡是一臺(tái)紅外望遠(yuǎn)鏡，它可以直接看到阻礙其他望遠(yuǎn)鏡研究銀河系擁擠中心區(qū)域行星的塵埃云。到目前為止，大多數(shù)地面微透鏡觀測(cè)都是在可見(jiàn)光下進(jìn)行的，這使得銀河系的中心在很大程度上是未知的系外行星領(lǐng)域。自2015年以來(lái)，一項(xiàng)使用英國(guó)紅外望遠(yuǎn)鏡(UKIRT)在夏威夷進(jìn)行的微透鏡調(diào)查正在通過(guò)繪制該區(qū)域地圖，為廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡的系外行星普查鋪平道路。

UKIRT的觀測(cè)首次提供了對(duì)星系核心微透鏡事件速率的測(cè)量，星系核心是恒星最密集的地方。這些結(jié)果將幫助天文學(xué)家為廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡的微透鏡工作選擇最佳觀測(cè)策略。UKIRT團(tuán)隊(duì)的最新目標(biāo)是使用機(jī)器學(xué)習(xí)檢測(cè)微透鏡事件，這對(duì)廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。這項(xiàng)任務(wù)將產(chǎn)生如此大量的數(shù)據(jù)，僅靠肉眼梳理是不切實(shí)際的，簡(jiǎn)化搜索將需要自動(dòng)化的過(guò)程。

另外，UKIRT的結(jié)果指出了一種觀測(cè)策略，該策略將揭示盡可能多的微透鏡事件，同時(shí)避免最厚的塵埃云，因?yàn)檫@種塵埃云甚至可以阻擋紅外光。田納西州納什維爾范德比爾特大學(xué)的天文學(xué)家薩凡納·杰克林(Savannah Jacklin)曾領(lǐng)導(dǎo)過(guò)幾項(xiàng)UKIRT研究：我們目前與UKIRT的觀測(cè)正在奠定基礎(chǔ)，以便廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡能夠?qū)嵤┑谝淮位诳臻g的專用微透鏡觀測(cè)。

• 圖示：開普勒和其他系外行星搜索工作已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆軌道較小的大型行星，圖中紅色和黑色的圓點(diǎn)代表了它們。廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡將發(fā)現(xiàn)質(zhì)量范圍更廣的行星，其軌道距離它們的主星更遠(yuǎn)，如藍(lán)點(diǎn)所示。

以前的系外行星任務(wù)擴(kuò)大了我們對(duì)行星系統(tǒng)的了解，廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡將使我們朝著真正了解行星，特別是那些位于其宿主恒星宜居帶內(nèi)的行星，是如何形成和演化的邁進(jìn)了一大步。

從褐矮星到黑洞

同樣的微透鏡觀測(cè)將揭示數(shù)千顆行星，還將探測(cè)到數(shù)以百計(jì)的其他奇怪而有趣的宇宙物體，科學(xué)家們將能夠研究質(zhì)量從火星到太陽(yáng)100倍的自由漂浮天體。質(zhì)量范圍低端包括從其宿主恒星拋出的行星，現(xiàn)在它們作為流氓行星在銀河系漫游。接下來(lái)是褐矮星，它們太大了，無(wú)法被定性為行星，但也不足以點(diǎn)燃為恒星。褐矮星不像恒星那樣發(fā)出明顯的光芒，但廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡將能夠通過(guò)它們形成時(shí)留下的熱量，在紅外線下對(duì)它們進(jìn)行研究。

質(zhì)量范圍高端的物體包括大質(zhì)量恒星耗盡燃料時(shí)留下的恒星核心：中子星和黑洞。研究它們并測(cè)量它們的質(zhì)量將有助于科學(xué)家更多地了解恒星的演化過(guò)程，同時(shí)提供恒星質(zhì)量黑洞的普查。廣域紅外巡天望遠(yuǎn)鏡的微透鏡觀測(cè)，不僅將促進(jìn)我們對(duì)行星系統(tǒng)的理解，它還將使一系列其他研究成為可能，包括2億顆恒星的可變性，內(nèi)銀河系的結(jié)構(gòu)和形成，以及黑洞和其他難以或不可能用其他方式研究的黑暗、致密天體的數(shù)量。

博科園｜研究/來(lái)自：美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心

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