花瓣狀的星冕儀助力探索類地行星

宇宙中充滿了行星。我希望人類在十年內建造一個宇宙望遠鏡，用來發現圍繞恆星的類地行星，並且弄清楚它是否能孕育生命。在位於普林斯頓的美國宇航局噴氣動力實驗室裡，我和我的同事們正在致力於開發一項技術，在不久的將來，能夠達到那個目的。

如今的天文學家相信銀河系的每顆恆星都至少有一個行星，並且推測這些恆星中多達五分之一擁有著可能孕育生命的類地行星，但是我們還沒有發現任何一個。我們只是間接地探測到了類地行星的存在。這張圖片是美國國家航空航天局著名的暗淡藍點的圖像。它是1990年由旅行者一號攝製的，當它即將離開太陽系時，研究人員將它轉向，在六十億千米之外拍攝了這張地球的照片。

我想要給圍繞另外一個恆星的類地行星照相，可是我們為什麼還沒有那樣做呢？為什麼很難做到呢？好吧，想了解這個問題的話，想像一下我們帶著哈勃宇宙望遠鏡來到火星軌道之外，並且掉轉方向。我們會得到一張稍微有些模糊的地球照片，因為在火星之外的軌道上，這架望遠鏡相對來說很小。現在讓我們把它移到十倍遠的地方。現在我們在天王星的軌道上。地球變小了，照片細節更少，解析度更低，但還是能看到小小的月亮。現在我們再往外走十倍遠。

我們現在在太陽系的邊界，柯伊伯帶之外。現在完全不能分辨清楚地球了。地球變成了卡爾·薩根所說的那個黯淡藍點。現在讓我們再移到又一個十倍遠的距離。這時我們在奧爾特雲以外，在太陽系以外了，太陽移動到視野之內，佔據了原本行星的位置。再一次，後退十倍遠。現在我們在半人馬座α星，這是靠我們最近的恆星之一，行星完全看不見了，我們所看見的是一個恆星的巨大光柱，那比行星耀眼一百億倍，行星應該在那個小小的紅色圈子裡。那就是我們想看見的東西，所以給系外行星拍照非常艱難。從恆星而來的光是衍射的，衍射的光線在望遠鏡內分散，形成了很明亮的圖像，衝淡了行星的光亮。那樣的話，要看到行星，我們必須處理一下這些光線。我們必須消除它們。我有很多同事們正在致力於開發神奇的技術，以消除幹擾的光線，但今天我想要告訴你們一個我認為是最酷的技術，最可能在十年之內幫助我們發現另一個「地球」的技術。

這項技術最先由萊曼·斯皮策提議，他是現代天文望遠鏡之父，1962年的一次日食給了他這個靈感。你們已經看到，這是日食。月亮已經移到太陽的前面，它擋住了大部分的光，所以我們能看到微弱的圍繞太陽的日冕。如果我把我的大拇指豎起來，擋住直射進我眼中的聚光燈，也會是同樣的效果，而且我能看見坐在最後一排的觀眾。怎麼一回事呢？嗯，月亮在地球上投下了一個陰影。我們在那個陰影裡放了一座望遠鏡或者一架照相機，再透過這些儀器看太陽，大部分的光被擋住了，這使我們能看到日冕中微弱的、精巧的結構。斯皮策建議的是，我們在宇宙裡這樣做。

我們要做一個大擋板，把它送進宇宙空間，放在要觀察的恆星前方，把大部分光都擋住，讓望遠鏡在這片人造的陰影裡飛行，砰！我們就看見了行星。實際情況也是差不多的道理。現在新的問題產生了，事實上我們有了大擋板，也看不到什麼行星，很不幸地它並不怎麼起作用，光波在擋板周圍發生了衍射，跟在望遠鏡裡是一樣的情況。就像溪流中的水能繞過石頭，光毀掉了人造的陰影。這個陰影很糟糕，我們在裡面看不見行星。實際上，斯皮策知道解決方案。如果我們能把邊緣弄成羽毛狀，把邊緣變柔軟，我們就能控制衍射，那麼就能看到行星。

在過去十年中，我們找到了最佳的解決方案。它看起來就像我前面描述的那個樣子。我們叫它做我們的花瓣星冕儀（starshade，又譯「遮星板」「星翳」）。如果我們把這些「花瓣」的邊緣做得剛好正確，控制它們的形狀，我們就可以控制衍射。現在我們有了巨大的人造陰影，大約比以前的暗淡了100億倍。接下來，我們能看見行星的光柱顯露出來，就像那個樣子。當然，擋板一定要比我的拇指大。星冕儀的尺寸大約有半個足球場那麼大，而且它必須飛到望遠鏡5萬千米以外，望遠鏡必須停在它的陰影中間，我們就可以看到那些行星了。這件事聽起來艱巨，但卓越的工程師們，噴氣動力實驗室裡我的同事們構思了一個精妙的設計，完成了這個任務，它看起來就像這個樣子。它一開始圍繞著一個樞紐，然後從望遠鏡分離，「花瓣」緩緩撐開，全部打開，望遠鏡旋轉過來，然後你會看到它翻轉並且飛到離望遠鏡5萬千米以外的地方。它會移動到恆星前方，營造一個神奇的陰影。妙極了，我們觀察到了圍繞這顆恆星的行星。（觀眾鼓掌）謝謝你們。

那不是科幻小說。我們已經為此工作了五六年。去年夏天，我們在加州的諾斯洛浦·格魯曼公司做了一個很酷的試驗。這是一個「亞尺寸」的星冕儀，有四個「花瓣」，只有你剛剛看到的那臺的一半大。你會看見「花瓣」撐開。這四個「花瓣」由四個在噴氣動力實驗室做暑期實習的大學生建造。現在你看到它們完全展開，這些「花瓣」必須旋轉到位。在每次實驗中，這些「花瓣」的底部必須每次轉到同一個地方，誤差不能超過0.1毫米。我們試驗了十六次，十六次它們都精確地轉到了同一個位置，而且誤差沒有超過0.1毫米。

這必須控制得非常精確，但如果我們能做到，如果我們能完成這個技術，如果我們能把它帶入宇宙，你也許可以看見像這樣的一些東西。這是一張比鄰星（距離我們最近的恆星）的圖片，是用哈勃空間望遠鏡攝製的。如果我們能帶著類似的望遠鏡，也許稍微大一些，把它送進宇宙，在它前面放置一個遮光體，我們有可能看到像這樣的東西——太陽系的「家庭合照」——但不是我們的，我們希望通過遮光體看到的會是另外一個恆星-行星系統，通過這樣一個星冕儀。

你能看到「木星」，你能看到「土星」，「天王星」，「海王星」，並且在正中間這兒，挨著恆星被遮擋後的餘光，那個黯淡藍點就是「地球」。我們想看到那樣的場景，看看那裡是否有水，氧氣，臭氧，這些東西可以告訴我們這個行星能否孕育生命。我覺得這是最酷的有可能實現的科學。這就是我專注於此的原因，因為我認為這會改變世界。當我們看見那個行星的時候，一切都會被改變。

作者:

FY: Yuanqing Edberg

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