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比哈勃还给力!把太阳当作引力透镜望远镜,可看清系外行星表面

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天文在线 2021-04-10 14:27

正如爱因斯坦最初用他的广义相对论预言的那样,引力会改变时空曲率。正因如此,光在通过引力场时会发生改变,广义相对论因此而被证实。几十年间,天文学家一直在利用它产生的引力透镜(GL)效应——在这种效应中,远处的光源被前方的巨大物体所聚焦并放大。

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在研究中,两位理论物理学家声称可以用同样的方式利用太阳来制造太阳引力透镜(SGL)。他们认为,这个强大的望远镜可以提供足够的光放大,以便对附近的系外行星进行直接成像研究。这可以让天文学家确认,我们早先派出任务研究的像比邻星 b之类的行星,是否具有成为宜居地的潜力。

这项研究最近出现在了网上,并且考虑将在期刊《物理评论D》上发表,理论物理学家维克托·托斯和美国宇航局喷气推进实验室的物理学家斯拉瓦·G·图里舍夫负责这项研究,斯拉瓦·G·图里舍夫是2020年国家原子能机构第三期研究的主要研究者(PI)。这项研究名为“基于太阳引力透镜任务的系外行星直接多像素成像和光谱学研究”。

哈勃望远镜在其服役期间拍摄到的爱因斯坦环

图源:NASA/ESA/A.Bolton (CfA)/SLACS Team

除了能够实现各种深奥的天体物理学研究,通过引力透镜也拍摄到了迄今为止最为壮观的宇宙图片。其中以“爱因斯坦环”最为著称,它展示了遥远的光在遇到它和观测者之间的引力场时会变成什么样。

依据观测者、光源和透镜的对齐位置不同,光源发出的光可以呈现出弓形、十字形或者其他形状。虽然任何大质量的天体都可以被用作引力透镜,但太阳在引力透镜天文学中具有优势地位。首先,它是太阳系中质量最大的天体,是最强的可用透镜。

其次,这个透镜的焦点区距离太阳550个天文单位,这是未来任务可以实现到达的距离。下一个最大天体(木星)的焦点区距离它超过2400个天文单位。简而言之,科学家可以制造一个和太阳在一条直线上的太阳引力透镜,并将它用于天文观测——比如仔细观测邻近的系外行星!

在地外行星特征研究方面,直接成像是一种特别有前途的研究方法,它能使未来系外行星的研究聚焦于之前从未涉足过的地方(相对于系外行星探测)。通过检测被行星大气或表面所直接影响的光,天文学家们可以得到其光谱并通过光谱了解这颗行星的大气构成,甚至能探测其表面植被情况。

太阳引力透镜成像示意图。将太阳的引力场作为透镜,未来的任务可以捕捉到高分辨率的系外行星和其他天体的图像。图源:托斯·V·T. & 图里舍夫··S·G.

然而,这个方法有点麻烦,因为最近的望远镜没有足够的分辨率为较小的行星直接成像,这些行星的轨道都更靠近它们的恒星(岩石行星在此发现)。这就是为什么绝大多数能被直接成像的系外行星都是巨大的气体行星,它们都具有典型的长公转周期轨道。正如图里舍夫在邮件告诉《今日宇宙》的那样:

直接观测和成像系外行星我们需要借助非常大的望远镜。因此,如果我们想要在100光年外的一个像素点内看清我们的地球,我们需要一个口径达90千米的望远镜。

第二大的地面(欧洲特大望远镜)和空间(詹姆斯·韦伯望远镜)望远镜口径分别是39米和6.5米。被考虑用于取代这些巨型设备的是口径16米的大型紫外/可见光/红外探测卫星(LUVIOR)和/或口径24米的宜居行星影像卫星(HabEx)。

图里舍夫认为,基于这种趋势,没有人能在有生之年近距离看到外星世界的样子,即便是他们的孩子和孙子也不行。借助太阳引力透镜,可在本世纪中期实现对邻近系外行星的观测(如比邻星 b和c或者围绕TRAPPIST-1的七颗岩石行星)

当通过太阳引力透镜观测距半人马座比邻星4.24光年的地球时,我们的星球可能长这样。图源:托斯·V·T. & 图里舍夫··S·G.

为了验证太阳引力透镜的可行性,托斯和图里舍夫借助原先的研究,为太阳引力透镜构建了一个波理论描述。最终,他们证实了这一点,甚至模拟出了经卷积和加入高斯噪音(左)及反卷积(右)后,分辨率为1024*1024像素的地球照片(如上图所示)。

如果地球和半人马座比邻星距离相同(4.24光年),那么由距离太阳650个天文单位的望远镜(即太阳自己的引力透镜)拍摄的地球照片应该是这个样子。如果你看得足够仔细,你甚至可以看到云层和陆地之间的对比——在这张图里,这儿是美国、那儿是下加利福尼亚和墨西哥。托斯和图里舍夫估计拥有这种程度的细节需要的总曝光时间大约是一年。

当然,这个团队也确定了一些最初需要克服的挑战。焦点区的距离是重中之重,它距离地球约822.8亿公里(510亿英里)远。这大约是地球和旅行者一号之间距离的四倍,而旅行者一号保持着迄今为止最远飞行任务的记录——截至2020年,它一共飞行了150个天文单位(224.4亿公里;139.4亿英里)。

其次,他们发现透镜会受到球面像差和反光的影响,需要纠正。最后,太阳强烈的光芒自然会比任何从远处物体获得的光还要亮。

Toth说:“观测必然需要很长时间(望远镜在焦距区域穿过一千米长的平面时看到一个‘像素’,而且对于每个像素来说,必须收集足够的数据来缓和主要来自日冕的噪音造成的影响。)在此期间,第一,望远镜关于图像的运动痕迹必须被我们精准掌握;第二,瞄准的外行星可能会移动,或在外观(云层、植被等)或亮度上有所改变。一些问题可以被视作噪音,一些则可以被智能的图像重建工作删除。

艺术家对于这个行星的印象

围绕离太阳系最近的恒星——比邻星(一颗红矮星)运动的比邻星b。来源:ESO/M. Kornmesser

幸运的是,Toth和Turyshev提出了一些潜在的解决方案。比如他们的概念实验要求使用主镜一米长望远镜的望远镜,2-2.5米长的望远镜也可以。他们主张,这件事可以以派出一支可以矫正偏离的成像航天器小队的方式来实现。

为了处理来自太阳的影响,需要研制一台结构合适的日冕仪。幸运的是,考虑到太阳焦距的长度,托斯和图里舍夫估计口径在一米左右的日冕仪就足够用了。这很像那种由许多小航天器组合成一架空间望远镜似的科技,它也需要等待技术未来的发展。

但其成果,包括潜在可居住行星的解析图像,将是不可估量的。想象一下给比邻星b拍照,照片上能看出其陆地的大小和形状,就如同它一旁浩瀚的海洋一样(假设它有陆地和海洋)。如果能拍到比邻星c的照片那该有多酷啊,它被认为是一个有着和土星类似光环系统的气态巨行星。

有三颗行星在TRAPPIST-1的可居住带内运行,它们的表面都可能有大面积的海洋。我们还得到了极其有价值的科学数据,包含可能揭示邻近系外行星大气中是否存在与我们生活息息相关的化学特征的光谱(又称“生物信号”)。

拥有一台专用的太阳引力透镜望远镜,也是下一代望远镜的合适补充,它们将在近几年内投入使用。这些望远镜包括詹姆斯·韦伯望远镜(JWST)和南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜(JWST),它们将在哈勃望远镜和开普勒望远镜的硕果之上,于邻近星系继续寻找系外行星。

同样,带有光学自适应和日冕仪的地面望远镜——像欧南台的超大望远镜(ELT)和大麦哲伦望远镜(GMT)——将允许对离恒星轨道更近、体量更小的岩石行星进行直接成像研究。特别是在较暗的M型(红矮星)恒星附近,那里是最有可能找到潜在的宜居行星的地方。

在最后,我们正在进入一个天文学和天体生物学的新时代,一个比对系外行星的研究还要超前,且聚焦在特性描述与对外星生命的搜索的时代!在这个时候,投资太阳引力透镜是否值得令人产生疑问。

Turyshev总结道:“在未来的十至十五年内我们会以间接的方式(透射光谱学、径向速度、天体测量学、微透镜等)探索上千个太阳系外的星球。一旦我们有了令人激动的一组目标,太阳引力透镜就会帮助我们进行研究。我们可以发布一个关于太阳引力透镜的焦点区域聚集在特定目标上的任务,并研究这个预先选择的目标或目标系统。

BY:MATT WILLIAMS

FY:Astronomical volunteer team

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