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[科普中国]-把整个地球“变”成太空望远镜,真的可行吗?

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观看从太空拍摄的地球照片,我们会看到一个斑驳的深蓝色球体,外层包裹的云层如同流动的白色大理石斑纹。然而在天文学家大卫·基平(David Kipping)的眼中,这是一个直径1.3万千米的超大号透镜,用它“做”成的望远镜将把更远的太空、更暗淡的星体带到我们眼前。基平是哥伦比亚大学天文学助理教授,主要从事太阳系外行星研究,曾经参与过第一颗地外行星的卫星的发现。在最近发表的一篇论文中,基平介绍了这个听起来有点疯狂的想法,引起了学界和媒体的关注。同行们表示这个计划的细节还需要进一步完善,但是它已经有了一个好的开始。来自“绿光”的启示这个想法背后的原理并不复杂。中学物理告诉我们,光线在两种介质的交界处会发生折射,这就是透镜的工作原理。同样,当光线从太空进入大气层,然后再离开大气层进入太空,这个过程中也会发生折射。所以,如果在太空中观测,大气层就构成了一个透镜,我们可以透过它看到远处的物体。基平的这个想法源于13年前对“绿闪”现象的研究。绿闪(green flash)是指在日出日落的过程中,太阳几乎完全隐没在地平线之下时出现的一道短暂而罕见的绿光。以往的研究证明这种现象的产生是因为大气折射。光的折射率和波长有关,当太阳刚好处在地平线下面某个位置的时候,其他波长的光在折射和散射过程中损失了,只有绿色的光能够传播出来,并且能被人眼感知,在合适的条件下就形成了绿闪现象。基平还推测,这时候如果在太空中合适的位置进行观测,就能看到整整一圈绿光包裹着地球。图注:绿闪现象。图片来源:Wikipedia绿闪现象说明,大气折射虽然微弱,却足以对天文观测造成影响。举例来说,来自某颗遥远星球的光,一部分从北极上方经过,离开大气层时向下发生弯折;另一部分从南极下方经过,离开大气层时向上发生弯折。这些光线将在“大气层透镜”的焦点位置再次汇聚,形成一个像。基平将这个设想命名为“地球镜”(Terrascope)。根据他的计算,这面“地球镜”相当于一台等效(有效通光)口径150米的望远镜,能够将物体的亮度放大22500倍,从而捕获极其微弱的光线;只要将一面直径1米的镜面发射到月球附近的位置,就能接收到由地球大气形成的像,找到遥远的行星甚至小行星。图注:“地球镜”示意图,被观测星体(左)在“地球镜”的焦点处(右)成像,并被航天器接收。图片来源:James Tuttle Keane/California Institute of Technology爱因斯坦的遗产“地球镜”的设想还受到了另一个更大胆的计划的启发,那就是“巨大天文望远镜”(Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens),简称FOCAL计划,要把太阳当成透镜进行天文观测。太阳没有地球那样透明而平静的大气层,但它有另一个让光线弯曲的法宝,那就是巨大的引力。广义相对论认为引力场会使光线发生弯曲,后来爱丁顿的日食观测实验验证了这一预言。爱因斯坦还指出,由于光线的弯折,我们可以看见那些位于大型天体后方的物体,这就是所谓的引力透镜。图注:哈勃望远镜拍摄的引力透镜现象,在聚集的多个星系(图片中央)的作用下,同一颗类星体产生了5个不同的像(周围白色亮点)。图片来源:NASA, ESA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)后来的物理学家们也对这个想法进行了一些研究。到1993年,意大利天文学家克劳迪奥·马可尼(Claudio Maccone)向欧洲航天局(ESA)提交了一份详尽的FOCAL计划。但是就目前的技术而言,这个计划(用太阳当透镜)实在不太可行——要想接收太阳引力透镜形成的像,需要把探测器架在离太阳550个天文单位(1天文单位=地球到太阳的平均距离,约等于1.5亿千米)之外的地方,比太阳到冥王星的距离还要远。“巨型”望远镜大家族纵观历史,光学望远镜总在追求更大的口径,以实现更高质量的成像。但是制造大口径光学望远镜非常困难。建造中的欧洲极大望远镜(E-ELT)将成为全球最大的光学望远镜,它的口径也“仅有”40米。为了保证成像质量,光学望远镜对镜面的平滑和清洁程度要求极高,大型望远镜通常由多个镜片拼接而成。基平在论文中指出,随着口径的增加,光学望远镜的建造成本以平方的幅度增长。例如计划在夏威夷群岛建造的三十米望远镜(TMT),它的预算达到20亿美元;如果用同样的技术建一台口径100米的望远镜,预算将达到350亿美元,那是个真正的天文数字。图注:TMT艺术效果图。图片来源:Wikipedia而且,如果要把望远镜发射到太空,那么“运费”又是一笔开支。计划2021年发射升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)被视为哈勃太空望远镜的继任者,它口径6.5米,预算已经达到88亿美元。高昂的预算导致JWST项目被一再推迟,美国航空航天局(NASA)同时期的其他项目也受到波及,面临资金短缺、项目推迟甚至被取消的风险。基平认为自己的计划在成本上有着巨大的优势,他只需要造一台直径1米的探测器,然后把它送上太空中离地球约36万千米的地方,比月球还要近一些。在开展计划之前,他还可以通过“立方星”(CubeSat)初步检验一下这个想法,那是一种模块化的微型卫星,人一只手就能托住,成本也非常低廉。光学望远镜主要观测宇宙中的可见光,如果安装相应的传感器,也能观测红外线、紫外线。著名的哈勃太空望远镜已经工作了近三十年,拍摄了大量遥远的星系。而我国的郭守敬望远镜(LAMOST)巡天七年,发布了上千万条光谱信息,为银河系的结构和演化、恒星的物理性质等方向的研究提供了丰富的数据。图注:郭守敬望远镜的镜面。图片来源:中国科学院除此之外,天文学家还借助射电望远镜,收集光学望远镜“看”不到的电磁波。射电望远镜不需要那样极度平滑的镜面,它们可以使用像卫星信号接收器那样的“大锅”,也可以利用天线阵列采集信号。世界最大的单口径射电望远镜——“中国天眼”FAST,口径达到500米。FAST能够观测宇宙中的中性氢(即电中性的氢原子)分布,以探索宇宙起源和演化;它还能观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律。各种功能的望远镜各司其职,帮助我们揭开宇宙的奥秘。不知道基平的“地球镜”,何时能加入这个大家族呢?图注:FAST主体工程。图片来源:网络作者 | 戚译引审校 | 李会超 哈尔滨工业大学博士责编 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国参考来源Clery.D, 2019, Space telescope would turn Earth into a giant magnifying lens, Science, doi:10.1126/science.aaz0283Kipping.D, 2019, The "Terrascope": On the Possibility of Using the Earth as an Atmospheric LensWitze.A, 2018, Delays mount for NASA’s $8-billion Hubble successor, Nature, doi: 10.1038/d41586-018-05567-2