也許你還記得“哈利波特與魔法石”的開場場景，那一幕發(fā)生在女貞路。一個(gè)留著胡子的人從深色長袍里拿出一個(gè)神秘裝置，叫做發(fā)光器，路燈的燈光一個(gè)接一個(gè)地射進(jìn)里面。

在過去的十多年里，世界各地的科學(xué)家們一直在忙于設(shè)計(jì)和完善一種類似設(shè)備，稱為日冕儀。用它阻擋來自恒星的光線，這樣科學(xué)家就可以拍攝圍繞它們旋轉(zhuǎn)的行星，即系外行星的照片。500多年前，意大利修士佐丹諾·布魯諾(Giordano Bruno)假設(shè)：

夜空中的恒星就像太陽一樣，周圍環(huán)繞著行星，其中一些可能蘊(yùn)藏著生命。從20世紀(jì)90年代開始，天文學(xué)家利用地面和衛(wèi)星觀測收集了數(shù)千顆太陽系外行星或系外行星存在的證據(jù)，系外行星的發(fā)現(xiàn)也贏得了2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。系外行星研究的下一個(gè)主要里程碑是在可見光下成像和表征木星大小的系外行星，因?yàn)槌上竦厍虼笮〉男行且щy得多。然而，成像外木星將表明，宇航員擁有所有必要的工具來成像和描述附近恒星宜居帶中地球大小的行星，那里可能存在生命。

目前，世界各地的科學(xué)家和工程師正在設(shè)計(jì)能夠在其宜居地帶對(duì)地外地球成像的空間飛行任務(wù)，如宜居系外行星觀測站(HabEx)和大型紫外/光學(xué)/紅外測量儀(LUVOIR)，然而距離它們發(fā)射至少還要十年的時(shí)間。在為這些旗艦級(jí)任務(wù)做準(zhǔn)備時(shí)，關(guān)鍵技術(shù)和軟件工具的開發(fā)和驗(yàn)證至關(guān)重要，日冕儀對(duì)于所有這些成像工作都是必不可少。作者我一名物理學(xué)教授，領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)研究小組，該小組設(shè)計(jì)了許多曾在NASA任務(wù)中飛行的實(shí)驗(yàn)。

可見光成像系外行星

在過去十年左右的時(shí)間里，團(tuán)隊(duì)一直在開發(fā)所需的技術(shù)，以直接對(duì)附近恒星周圍的系外行星進(jìn)行成像和表征，并在火箭和氣球上對(duì)它們進(jìn)行測試，然后才能選擇它們進(jìn)行重大太空任務(wù)的飛行。盡管已知有4000多顆系外行星的存在，但大多數(shù)都是通過間接方法探測到的，比如當(dāng)行星從前面經(jīng)過并阻擋其部分光線時(shí)，會(huì)發(fā)生凌日現(xiàn)象，這是開普勒和凌日系外行星調(diào)查衛(wèi)星(TESS)任務(wù)所采用的技術(shù)。2019年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者使用了另一種間接方法：

該方法依賴于測量恒星圍繞恒星運(yùn)行的微小和周期性運(yùn)動(dòng)。但是，一張?zhí)卣髋c太陽系相似的系外行星照片還沒有拍攝到。為系外行星成像是很困難的，例如即使是像木星這樣巨大的行星也比太陽暗10億倍，從遠(yuǎn)處看，地球比木星暗10倍。但是，為系外行星成像的困難并不是因?yàn)樗鼈兪腔璋档?，包括哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的大型望遠(yuǎn)鏡拍攝到的都要暗得多。為系外行星成像的挑戰(zhàn)與拍攝一個(gè)非常暗淡的物體照片有關(guān)，而這個(gè)物體離一個(gè)明亮得多的物體很近。

由于恒星和行星相距很遠(yuǎn)，當(dāng)拍攝到它們時(shí)，它們看起來就像天空中的一個(gè)亮點(diǎn)，就像汽車的前燈從遠(yuǎn)處看起來就像一個(gè)亮光一樣。因此，即使是最新成像的系外行星挑戰(zhàn)也類似于在加利福尼亞州，一個(gè)人在距離馬薩諸塞州燈塔明亮燈光3米遠(yuǎn)的地方拍攝一只蒼蠅照片。研究團(tuán)隊(duì)新測試飛行了一個(gè)名為行星成像概念測試床的高空氣球?qū)嶒?yàn)，使用的是一個(gè)可回收的實(shí)驗(yàn)-日冕儀，它測試了日冕儀在太空中工作的能力，以成像系外行星及其環(huán)境。

Picture-C日冕儀創(chuàng)造了人工日食，以使星光變暗或消除，而不會(huì)使恒星照射的行星變暗。它被設(shè)計(jì)用來捕捉距離中央恒星非常近的暗淡小行星帶狀天體。雖然直接對(duì)系外行星成像需要日冕儀，但6000磅的設(shè)備還包括可變形反射鏡，用于校正由于重力變化、溫度波動(dòng)和其他制造缺陷而變形的望遠(yuǎn)鏡反射鏡形狀。最后，整個(gè)裝置必須在相對(duì)較長的時(shí)間內(nèi)在空間中保持穩(wěn)定。美國宇航局專門設(shè)計(jì)名為“沃洛普斯弧形第二指針”(WASP)的吊船搭載了Picture-C。

博科園｜文：Supriya Chakrabarti/The Conversation

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