太陽將變成尋找系外行星的「放大鏡」?

2020-12-11 騰訊網

近日，美國宇航局噴氣推進實驗室和美國航太公司聯合研究出了利用太陽引力透鏡（SGL）探測系外行星的方法。這一方法引起了不少人的興趣，那麼它真的可行嗎？一起來看看吧～

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條

前段時間，新聞中熱炒美國宇航局計劃用太陽作為引力透鏡，對系外行星成像，事實上在2017年這個計劃就已經提出來了[1]。有人覺得這是個不錯的新奇想法，也有研究軌道動力學的同事質疑這樣的觀測是不現實的。但這條新聞卻讓我想起了多年前聽過的一個同樣新奇的報告。

廣義相對論指出，光在引力場中發生偏折[2]。故而，廣義相對論的一個觀測檢驗就是星光經過太陽附近時的偏折。直到現在，天文學家仍然在測量太陽對電磁波的偏折，只是不再觀測恆星的位置，而是通過甚長基線幹涉觀測射電源的位置[3]。

光在被天體的引力場偏折在天文中是普遍存在的現象，包括眾所周知的星系或星系團造就的強引力透鏡以及行星（或者某種未知天體）等產生的微引力透鏡。太陽自然也是可以作為引力透鏡的，前段時間熱炒的新聞就是美國宇航局計劃用太陽作為引力透鏡，對系外行星成像[4]。

圖1. 強引力透鏡。（圖片來源：ALMA）

用太陽作為引力透鏡成像看上去是一個新想法，但用太陽作為引力透鏡，我在2011年10月24日聽研究SETI（搜索外星文明）的Claudio Maccone博士的報告時就了解到這個想法了。Maccone博士當時的報告題目是「FOCAL space mission to 550 AU and beyond」，比較吸引我的就是550 AU這個值。Turyshev等人的文獻裡給出的是548 AU。兩個值比較接近，這是怎麼來的呢？

可以簡單計算一下，光在質量為M的半徑為r天體的引力場中的偏轉角和天體的質量M成正比，和天體的半徑r成反比。另外一方面，這個偏轉角度可以近似為天體半徑r和焦距d的比值。因此，對於給定的天體，以它為透鏡得到的焦距和天體半徑r的平方成正比，和天體質量M成反比。通過仔細思考和計算，你會發現一個有趣的事實，如果用太陽系中的天體做引力透鏡，太陽的焦距最小，就是550 AU左右！

圖2. 將太陽作為引力透鏡的探測衛星所在軌道。也就是說，如果要放一臺探測衛星，利用太陽作為透鏡，探測遠方天體，那麼這顆衛星所在的軌道的半徑應該是550 AU，就是圖中所示的位置。（圖片來源：NASA）

Turyshev等人的想法是在距離太陽550 AU左右的地方放一顆衛星對系外行星成像。而早先Macccne博士的想法是在距離太陽550 AU左右的地方放一個天線，接收來自天體的信號，或者發射信號，把太陽作為一個放大器。如果我們要發射一艘太空飛船前往距離太陽最近的恆星，這可能是不多的讓這艘飛船與我們保持通訊聯繫的方案。在550 AU半徑的軌道，周期大約為一萬兩千多年，在這個軌道上的衛星或天線一年運動10角秒，在一年內瞄準一個方向是有可能的。

快十年過去了，我對Maccone博士的報告仍然印象深刻。當時的報告聽起來就像聽科幻故事，但Maccone博士告訴我們，這些想法你應該寫下來，提交給某些機構，批不批，管他的，反正這些想法遲早會實現的。如果不寫下來的話，這些想法就無法保留下來。

現在看來，這個想法已經保留下來，還被發揚光大了。

參考文獻

[1] http://www.sci-news.com/astronomy/solar-lensing-telescope-nasa-exoplanets-05313.html

[2] A. Einstein 1936, Science, 84, 506

[3] S. S. Shapiro, et al. 2004, Physical Review Letters, 92, 121101

[4] S. G. Turyshev, M. Shao, V. T. Toth 2019, IJMPD, 28, 1950125

作者簡介

錢磊：國家天文臺副研究員。2009年在北京大學天文學系獲博士學位。2009年至今在國家天文臺FAST工程工作。目前負責FAST譜線數據處理工作。翻譯過專著《黑洞吸積盤》以及若干科普文章。

輪值主編：王嵐（國家天文臺副研究員）

編輯：黃京一、蔡琳、柒柒

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