[科普中国]-把整个地球“变”成太空望远镜，真的可行吗？

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