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[探索] 直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你

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库克船长 发表于 2020-12-17 22:43:32 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
1915年，爱因斯坦发表了著名的广义相对论，为人类物理学打开了一扇新的大门。如今105年过去了，物理学家们还在不断尝试着证明这个伟大的理论，同时也通过这个理论，发现更多认识物理和宇宙的新途径。
爱因斯坦的预言


直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第1张图片


根据广义相对论，大质量的天体会造成相对比较明显的时空扭曲，这会导致途经这里的光线看起来弯曲了一样。物理学家们由此意识到，如果有一个相对靠近我们的前景天体遮挡住了更远一些的背景天体，那么只要前景天体引力足够强，就可以将原本射向其他方向的背景天体光线扭曲，变为射向地球，被我们观测到。由于这样的光线扭曲颇似凸透镜对光线的汇聚作用，因此这个现象又被称为引力透镜效应。

通常来说，由于星系的质量非常大，所以引力也极强，能产生的引力透镜效应会比较明显一点。相比之下，像太阳这样的恒星质量没有那么巨大，能够造成的时空扭曲没有那么明显，不过也能被观测到。

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第2张图片


我们知道，凸透镜在日常生活中都被用作放大镜，来将我们想要观看的事物放大。既然引力可以对光线形成相似的扭曲，我们不仅可以利用引力透镜效应来观测原本被遮挡住的背景天体，甚至可以选择合适的前景天体来扭曲光线，起到类似于放大镜的作用，帮助我们更清楚地观测一些宇宙天体。

在天文望远镜还不够强大的今天，这样的原理对于科学家的天文观测来说将会非常重要。因此，来自于NASA喷气推进实验室的物理学家Slava G. Turyshev和卡尔顿大学的理论物理学家Viktor Toth一直在思考相关问题，并且在最近的论文中提出：我们可以利用太阳“建造”一个太阳引力透镜，通过太阳的引力将背景天体的光线扭曲，从而起到放大成像的效果，帮助我们直接观测一些天体。

在引力透镜效应中，我们会看到一种非常有趣的现象，那就是爱因斯坦环。它不一定真的只是环状，根据光源、“透镜”以及观测者相对位置的不同，也可能会出现十字或其他形状。

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第3张图片

（图片说明：引力透镜效应会产生典型的爱因斯坦环）

太阳引力透镜

在太阳系中，太阳是最适合科学家进行引力透镜天文研究的天体。它的质量最大，引力也最强，因此可以对光线产生最强的扭曲效果。而且，我们在初中物理中学过，越靠近焦点，放大效果越明显，在这方面，太阳仍然有巨大的优势。

把太阳看作是一个凸透镜的话，它的焦点大约在550个天文单位之外。这个距离听起来非常遥远，但相对来说对未来的人类来说还能够得到。要知道，太阳系第二大的“放大镜”木星的等效焦距可是在2400个天文单位之外！在同样的距离下，太阳产生的引力透镜效应要远远超过木星。

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第4张图片

（图片说明：木星质量只有太阳的1/1000）


因此，如果我们可以在一个合适的位置上，利用太阳的引力透镜效应进行观测，将可以看清许多以前看不清的遥远天体，甚至对一颗系外行星进行直接成像！

要知道，迄今为止我们发现的4300多颗系外行星中，绝大部分都是通过间接观测发现的。即使这些方法再好，也不如直接观测来得简单明了。如果能够观测到一颗系外行星的地表或大气层反射的光，我们就能利用光谱等方式来进行更加准确的分析，判断它有没有大气层、甚至可以证明行星表面有没有植物。

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第5张图片

（图片说明：利用太阳的引力透镜效应给系外行星直接成像的示意图）

现代望远镜的无力

要知道，现在的我们想要对一颗系外行星进行直接成像，几乎是不可能的事，成功的案例屈指可数。尤其是对于那些靠近宿主恒星、体积又不够大的系外行星来说，我们的望远镜实在是心有余而力不足，寥寥可数的成功案例都是那些比木星还要巨大的气体巨星，而且距离宿主恒星也比较远才能不被淹没在耀眼的光芒中。
Turyshev向我们介绍：“想要对一颗系外行星进行直接成像的观测，我们必须要有非常巨大的望远镜。也就是说，即便我们想在100光年外给我们自己的地球放大到1个像素，都需要一个口径达到90公里的望远镜。而即将建造的最大地基望远镜（欧洲极大望远镜）和发射到太空的望远镜（詹姆斯·韦伯太空望远镜）才只有39米和6.5米，而预想中它们的继任者（LUVOIR和HabEx）在概念中也只有16米或24米。”

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第6张图片

（图片说明：詹姆斯·韦伯太空望远镜）


难怪Turyshev最后都忍不住给出了一个悲观的结论：按照这个速度，现在活着的人甚至是他们的子孙在有生之年恐怕都不可能通过这种望远镜直接看到系外行星的表面了。
柳暗花明又一村

因此，太阳引力透镜成为了我们的希望。如果这项技术开发成功，在本世纪中叶，我们就能够看到这些梦寐以求的画面和那些令人震惊的外星世界。根据他的设想，利用太阳引力透镜，通过长达1年的曝光，在比邻星（4.24光年）的位置上，我们可以看到这样的地球——

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第7张图片


他们模拟的地球图像像素达到了1024*1024，而在反卷积后我们可以看到右图中所展示的地球图像。不得不说，这样的清晰度是现在的望远镜想都不敢想的。在这种清晰度下，那些云层之下相对比较大的国家和明显的地形，我们都可以看到！如果我们真的实验成功，人类的系外行星研究势必会迎来突破式发展！

我们现在能达到这样的清晰度吗？
理想与现实的差距

还不能，目前来说，想要实现这个技术，科学家还面临着许多的困难：

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第8张图片

（图片说明：比邻星和比邻星b的假想图）


    首先要解决的就是位置问题，越靠近焦点的位置越能够放大观测对象，“太阳透镜”的焦距在大约822.8亿公里之外，是飞行了43年的旅行者号与我们距离的4倍！像刚才那张模拟的地球图像，要求我们利用太阳这么大的引力透镜，并且在距离它650个天文单位的位置上才能看到这样的效果；其次，太阳引力透镜和普通透镜一样，会面临球面像差和散光的影响，需要科学家利用设备进行修正；第三，太阳引力透镜势必需要在太阳周围观测背景天体，如何遮挡住太阳的光芒也是必须要考虑的问题。

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第9张图片

（图片说明：比邻星b表面环境假想图）


为此，Toth和Turyshev提出了他们对于该项目的想法：如果能够建造口径2-2.5米的望远镜是最好的，退而求其次的话，1米口径的望远镜也是可以的。这样的望远镜，一台是不够的，必须发射一个舰队，携带多个望远镜联合观测，来消除球形相差。此外，想要遮挡太阳的光芒，这些望远镜必须配备日冕仪。根据他们的计算，直径1米的日冕仪就可以满足观测需求了。

当然，这个难度还是非常大的，就像我们说的，这些望远镜必须被送到几百个天文单位以外才可以，而这个距离比人类迄今为止发射最远的望远镜还要远数倍。其次，这些望远镜的性能必须非常好，而且要利用多个望远镜组成星座，这个工程量和经费都是难以想象的。

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第10张图片

千里眼不是梦想

即便如此，考虑到它们能带来的丰厚回报，这样的尝试也是值得的。想象一下，利用这个直径140公里的“望远镜”，我们可以将远在4.24光年以外的三体星形状和大小清晰地呈现出来，还能帮助我们确定那里是否有海洋。同时，我们还能更轻松地确定是否有比邻星c存在，据说那是一颗像土星一样拥有光环的气态巨星。

还有著名的TRAPPIST-1，这个拥有着7颗类地行星的红矮星系统，其中三颗行星都在宜居带内，我们可以看清那里是否有植被，想一想都觉得很爽。毫无疑问，这对于科学家们寻找地外生命甚至是智慧生命，都有着莫大的帮助。

直径140万公里的“望远镜”，看宇宙是什么样的？科学家告诉你 第11张图片

（图片说明：TRAPPIST-1是发现系外行星最多的恒星之一）


不过，这一切直到现在还停留在设想之中。未来何时能够实现，现在还不好说。也许就像他们说的，在本世纪中叶就能够成真。


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标签：欧洲星座旅行1915年物理学家
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