正如愛因斯坦最初用他的廣義相對(duì)論預(yù)言的那樣，引力會(huì)改變時(shí)空曲率。正因如此，光在通過引力場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生改變，廣義相對(duì)論因此而被證實(shí)。幾十年間，天文學(xué)家一直在利用它產(chǎn)生的引力透鏡(GL)效應(yīng)——在這種效應(yīng)中，遠(yuǎn)處的光源被前景的巨大物體所聚焦并放大。

在研究中，兩位理論物理學(xué)家聲稱可以用同樣的方式利用太陽來制造太陽引力透鏡（SGL）。他們認(rèn)為，這個(gè)強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡可以提供足夠的光放大，以便對(duì)附近的系外行星進(jìn)行直接成像研究。這可以讓天文學(xué)家確認(rèn)，我們?cè)缦扰沙鋈蝿?wù)研究的像比鄰星 b之類的行星，是否具有成為宜居地的潛力。

這項(xiàng)研究最近出現(xiàn)在了網(wǎng)上，并且考慮將在期刊《物理評(píng)論D》上發(fā)表，理論物理學(xué)家維克托·托斯和美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家斯拉瓦·G·圖里舍夫負(fù)責(zé)這項(xiàng)研究，斯拉瓦·G·圖里舍夫是2020年國家原子能機(jī)構(gòu)第三期研究的主要研究者(PI)。這項(xiàng)研究名為“基于太陽引力透鏡任務(wù)的系外行星直接多像素成像和光譜學(xué)研究”。

哈勃望遠(yuǎn)鏡在其服役期間拍攝到的愛因斯坦環(huán)

圖源：NASA/ESA/A.Bolton (CfA)/SLACS Team

除了能夠?qū)崿F(xiàn)各種深?yuàn)W的天體物理學(xué)研究，通過引力透鏡也拍攝到了迄今為止最為壯觀的宇宙圖片。其中以“愛因斯坦環(huán)”最為著稱，它展示了遙遠(yuǎn)的光在遇到它和觀測(cè)者之間的引力場(chǎng)時(shí)會(huì)變成什么樣。

依據(jù)觀測(cè)者、光源和透鏡的對(duì)齊位置不同，光源發(fā)出的光可以呈現(xiàn)出弓形、十字形或者其他形狀。雖然任何大質(zhì)量的天體都可以被用作引力透鏡，但太陽在引力透鏡天文學(xué)中具有優(yōu)勢(shì)地位。首先，它是太陽系中質(zhì)量最大的天體，是最強(qiáng)的可用透鏡。

其次，這個(gè)透鏡的焦點(diǎn)區(qū)距離太陽550個(gè)天文單位，這是未來任務(wù)可以實(shí)現(xiàn)到達(dá)的距離。下一個(gè)最大天體（木星）的焦點(diǎn)區(qū)距離它超過2400個(gè)天文單位。簡而言之，科學(xué)家可以制造一個(gè)和太陽在一條直線上的太陽引力透鏡，并將它用于天文觀測(cè)——比如仔細(xì)觀測(cè)鄰近的系外行星！

在地外行星特征研究方面，直接成像是一種特別有前途的研究方法，它能使未來系外行星的研究聚焦于之前從未涉足過的地方（相對(duì)于系外行星探測(cè)）。通過檢測(cè)被行星大氣或表面所直接影響的光，天文學(xué)家們可以得到其光譜并通過光譜了解這顆行星的大氣構(gòu)成，甚至能探測(cè)其表面植被情況。

太陽引力透鏡成像示意圖。將太陽的引力場(chǎng)作為透鏡，未來的任務(wù)可以捕捉到高分辨率的系外行星和其他天體的圖像。圖源：托斯·V·T. & 圖里舍夫··S·G.

然而，這個(gè)方法有點(diǎn)麻煩，因?yàn)樽罱耐h(yuǎn)鏡沒有足夠的分辨率為較小的行星直接成像，這些行星的軌道都更靠近它們的恒星（巖石行星在此發(fā)現(xiàn)）。這就是為什么絕大多數(shù)能被直接成像的系外行星都是巨大的氣體行星，它們都具有典型的長公轉(zhuǎn)周期軌道。正如圖里舍夫在郵件告訴《今日宇宙》的那樣：

直接觀測(cè)和成像系外行星我們需要借助非常大的望遠(yuǎn)鏡。因此，如果我們想要在100光年外的一個(gè)像素點(diǎn)內(nèi)看清我們的地球，我們需要一個(gè)口徑達(dá)90千米的望遠(yuǎn)鏡。

第二大的地面（歐洲特大望遠(yuǎn)鏡）和空間（詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡）望遠(yuǎn)鏡口徑分別是39米和6.5米。被考慮用于取代這些巨型設(shè)備的是口徑16米的大型紫外/可見光/紅外探測(cè)衛(wèi)星（LUVIOR)和/或口徑24米的宜居行星影像衛(wèi)星（HabEx)。

圖里舍夫認(rèn)為，基于這種趨勢(shì)，沒有人能在有生之年近距離看到外星世界的樣子，即便是他們的孩子和孫子也不行。借助太陽引力透鏡，可在本世紀(jì)中期實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近系外行星的觀測(cè)（如比鄰星 b和c或者圍繞TRAPPIST-1的七顆巖石行星）

當(dāng)通過太陽引力透鏡觀測(cè)距半人馬座比鄰星4.24光年的地球時(shí)，我們的星球可能長這樣。圖源：托斯·V·T. & 圖里舍夫··S·G.

為了驗(yàn)證太陽引力透鏡的可行性，托斯和圖里舍夫借助原先的研究，為太陽引力透鏡構(gòu)建了一個(gè)波理論描述。最終，他們證實(shí)了這一點(diǎn)，甚至模擬出了經(jīng)卷積和加入高斯噪音（左）及反卷積（右）后，分辨率為1024*1024像素的地球照片（如上圖所示）。

如果地球和半人馬座比鄰星距離相同（4.24光年），那么由距離太陽650個(gè)天文單位的望遠(yuǎn)鏡（即太陽自己的引力透鏡）拍攝的地球照片應(yīng)該是這個(gè)樣子。如果你看得足夠仔細(xì)，你甚至可以看到云層和陸地之間的對(duì)比——在這張圖里，這兒是美國、那兒是下加利福尼亞和墨西哥。托斯和圖里舍夫估計(jì)擁有這種程度的細(xì)節(jié)需要的總曝光時(shí)間大約是一年。

當(dāng)然，這個(gè)團(tuán)隊(duì)也確定了一些最初需要克服的挑戰(zhàn)。焦點(diǎn)區(qū)的距離是重中之重，它距離地球約822.8億公里（510億英里）遠(yuǎn)。這大約是地球和旅行者一號(hào)之間距離的四倍，而旅行者一號(hào)保持著迄今為止最遠(yuǎn)飛行任務(wù)的記錄——截止2020年，它一共飛行了150個(gè)天文單位（224.4億公里；139.4億英里）。

其次，他們發(fā)現(xiàn)透鏡會(huì)受到球面像差和反光的影響，需要糾正。最后，太陽強(qiáng)烈的光芒自然會(huì)比任何從遠(yuǎn)處物體獲得的光還要亮。

Toth說：“觀測(cè)必然需要很長時(shí)間（望遠(yuǎn)鏡在焦距區(qū)域穿過一千米長的平面時(shí)看到一個(gè)‘像素’，而且對(duì)于每個(gè)像素來說，必須收集足夠的數(shù)據(jù)來緩和主要來自日冕的噪音造成的影響。）在此期間，第一，望遠(yuǎn)鏡關(guān)于圖像的運(yùn)動(dòng)痕跡必須被我們精準(zhǔn)掌握；第二，瞄準(zhǔn)的外行星可能會(huì)移動(dòng)，或在外觀（云層、植被等）或亮度上有所改變。一些問題可以被視作噪音，一些則可以被智能的圖像重建工作刪除。

藝術(shù)家對(duì)于這個(gè)行星的印象

圍繞離太陽系最近的恒星——比鄰星（一顆紅矮星）運(yùn)動(dòng)的比鄰星b。來源：ESO/M. Kornmesser

幸運(yùn)的是，Toth和Turyshev提出了一些潛在的解決方案。比如他們的概念實(shí)驗(yàn)要求使用主鏡一米長望遠(yuǎn)鏡的望遠(yuǎn)鏡，2-2.5米長的望遠(yuǎn)鏡也可以。他們主張，這件事可以以派出一支可以矯正偏離的成像航天器小隊(duì)的方式來實(shí)現(xiàn)。

為了處理來自太陽的影響，需要研制一臺(tái)結(jié)構(gòu)合適的日冕儀。幸運(yùn)的是，考慮到太陽焦距的長度，托斯和圖里舍夫估計(jì)口徑在一米左右的日冕儀就足夠用了。這很像那種由許多小航天器組合成一架空間望遠(yuǎn)鏡似的科技，它也需要等待技術(shù)未來的發(fā)展。

但其成果，包括潛在可居住行星的解析圖像，將是不可估量的。想象一下給比鄰星b拍照，照片上能看出其陸地的大小和形狀，就如同它一旁浩瀚的海洋一樣（假設(shè)它有陸地和海洋）。如果能拍到比鄰星c的照片那該有多酷啊，它被認(rèn)為是一個(gè)有著和土星類似光環(huán)系統(tǒng)的氣態(tài)巨行星。

有三顆行星在TRAPPIST-1的可居住帶內(nèi)運(yùn)行，它們的表面都可能有大面積的海洋。我們還得到了極其有價(jià)值的科學(xué)數(shù)據(jù)，包含可能揭示鄰近系外行星大氣中是否存在與我們生活息息相關(guān)的化學(xué)特征的光譜（又稱“生物信號(hào)”）。

擁有一臺(tái)專用的太陽引力透鏡望遠(yuǎn)鏡，也是下一代望遠(yuǎn)鏡的合適補(bǔ)充，它們將在近幾年內(nèi)投入使用。這些望遠(yuǎn)鏡包括詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）和南?！じ窭俳z·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），它們將在哈勃望遠(yuǎn)鏡和開普勒望遠(yuǎn)鏡的碩果之上，于鄰近星系繼續(xù)尋找系外行星。

同樣，帶有光學(xué)自適應(yīng)和日冕儀的地面望遠(yuǎn)鏡——像歐南臺(tái)的超大望遠(yuǎn)鏡（ELT）和大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（GMT)——將允許對(duì)離恒星軌道更近、體量更小的巖石行星進(jìn)行直接成像研究。特別是在較暗的M型（紅矮星）恒星附近，那里是最有可能找到潛在的宜居行星的地方。

在最后，我們正在進(jìn)入一個(gè)天文學(xué)和天體生物學(xué)的新時(shí)代，一個(gè)比對(duì)系外行星的研究還要超前，且聚焦在特性描述與對(duì)外星生命的搜索的時(shí)代！在這個(gè)時(shí)候，投資太陽引力透鏡是否值得令人產(chǎn)生疑問。

Turyshev總結(jié)道：“在未來的十至十五年內(nèi)我們會(huì)以間接的方式（透射光譜學(xué)、徑向速度、天體測(cè)量學(xué)、微透鏡等）探索上千個(gè)太陽系外的星球。一旦我們有了令人激動(dòng)的一組目標(biāo)，太陽引力透鏡就會(huì)幫助我們進(jìn)行研究。我們可以發(fā)布一個(gè)關(guān)于太陽引力透鏡的焦點(diǎn)區(qū)域聚集在特定目標(biāo)上的任務(wù)，并研究這個(gè)預(yù)先選擇的目標(biāo)或目標(biāo)系統(tǒng)。

BY：MATT WILLIAMS

FY：Astronomical volunteer team

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