把整個地球「變」成太空望遠鏡,真的可行嗎?

2020-11-27 騰訊網

在天文學家大衛·基平眼裡，地球就是一個直徑1.3萬千米的超大號透鏡，能幫助我們看見更遠的太空和更暗淡的星體。

「地球望遠鏡」示意圖，左側為被觀測星體，右側太空飛行器為觀測設備。

觀看從太空拍攝的地球照片，我們會看到一個斑駁的深藍色球體，外層包裹的雲層如同流動的白色大理石斑紋。然而在天文學家大衛·基平（David Kipping）的眼中，這是一個直徑1.3萬千米的超大號透鏡，用它「做」成的望遠鏡將把更遠的太空、更暗淡的星體帶到我們眼前。

基平是哥倫比亞大學天文學助理教授，主要從事太陽系外行星研究，曾經參與過第一顆地外行星的衛星的發現。在最近發表的一篇論文中，基平介紹了這個聽起來有點瘋狂的想法，引起了學界和媒體的關注。同行們表示這個計劃的細節還需要進一步完善，但是它已經有了一個好的開始。

來自「綠光」的啟示

這個想法背後的原理並不複雜。中學物理告訴我們，光線在兩種介質的交界處會發生折射，這就是透鏡的工作原理。同樣，當光線從太空進入大氣層，然後再離開大氣層進入太空，這個過程中也會發生折射。所以，如果在太空中觀測，大氣層就構成了一個透鏡，我們可以透過它看到遠處的物體。

基平的這個想法源於13年前對「綠閃」現象的研究。綠閃（green flash）是指在日出日落的過程中，太陽幾乎完全隱沒在地平線之下時出現的一道短暫而罕見的綠光。以往的研究證明這種現象的產生是因為大氣折射。光的折射率和波長有關，當太陽剛好處在地平線下面某個位置的時候，其他波長的光在折射和散射過程中損失了，只有綠色的光能夠傳播出來，並且能被人眼感知，在合適的條件下就形成了綠閃現象。

基平還推測，這時候如果在太空中合適的位置進行觀測，就能看到整整一圈綠光包裹著地球。

圖註：綠閃現象。圖片來源：Wikipedia

綠閃現象說明，大氣折射雖然微弱，卻足以對天文觀測造成影響。舉例來說，來自某顆遙遠星球的光，一部分從北極上方經過，離開大氣層時向下發生彎折；另一部分從南極下方經過，離開大氣層時向上發生彎折。這些光線將在「大氣層透鏡」的焦點位置再次匯聚，形成一個像。

基平將這個設想命名為「地球鏡」（Terrascope）。根據他的計算，這面「地球鏡」相當於一臺等效（有效通光）口徑150米的望遠鏡，能夠將物體的亮度放大22500倍，從而捕獲極其微弱的光線；只要將一面直徑1米的鏡面發射到月球附近的位置，就能接收到由地球大氣形成的像，找到遙遠的行星甚至小行星。

圖註：「地球鏡」示意圖，被觀測星體（左）在「地球鏡」的焦點處（右）成像，並被太空飛行器接收。圖片來源：James Tuttle Keane/California Institute of Technology

愛因斯坦的遺產

「地球鏡」的設想還受到了另一個更大膽的計劃的啟發，那就是「巨大天文望遠鏡」（Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens），簡稱FOCAL計劃，要把太陽當成透鏡進行天文觀測。

太陽沒有地球那樣透明而平靜的大氣層，但它有另一個讓光線彎曲的法寶，那就是巨大的引力。廣義相對論認為引力場會使光線發生彎曲，後來愛丁頓的日食觀測實驗驗證了這一預言。愛因斯坦還指出，由於光線的彎折，我們可以看見那些位於大型天體後方的物體，這就是所謂的引力透鏡。

圖註：哈勃望遠鏡拍攝的引力透鏡現象，在聚集的多個星系（圖片中央）的作用下，同一顆類星體產生了5個不同的像（周圍白色亮點）。圖片來源：NASA, ESA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)

後來的物理學家們也對這個想法進行了一些研究。到1993年，義大利天文學家克勞迪奧·馬可尼（Claudio Maccone）向歐洲航天局（ESA）提交了一份詳盡的FOCAL計劃。但是就目前的技術而言，這個計劃（用太陽當透鏡）實在不太可行——要想接收太陽引力透鏡形成的像，需要把探測器架在離太陽550個天文單位（1天文單位=地球到太陽的平均距離，約等於1.5億千米）之外的地方，比太陽到冥王星的距離還要遠。

「巨型」望遠鏡大家族

縱觀歷史，光學望遠鏡總在追求更大的口徑，以實現更高質量的成像。但是製造大口徑光學望遠鏡非常困難。建造中的歐洲極大望遠鏡（E-ELT）將成為全球最大的光學望遠鏡，它的口徑也「僅有」40米。

為了保證成像質量，光學望遠鏡對鏡面的平滑和清潔程度要求極高，大型望遠鏡通常由多個鏡片拼接而成。基平在論文中指出，隨著口徑的增加，光學望遠鏡的建造成本以平方的幅度增長。例如計劃在夏威夷群島建造的三十米望遠鏡（TMT），它的預算達到20億美元；如果用同樣的技術建一臺口徑100米的望遠鏡，預算將達到350億美元，那是個真正的天文數字。

圖註：TMT藝術效果圖。圖片來源：Wikipedia

而且，如果要把望遠鏡發射到太空，那麼「運費」又是一筆開支。計劃2021年發射升空的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）被視為哈勃太空望遠鏡的繼任者，它口徑6.5米，預算已經達到88億美元。高昂的預算導致JWST項目被一再推遲，美國航空航天局（NASA）同時期的其他項目也受到波及，面臨資金短缺、項目推遲甚至被取消的風險。

基平認為自己的計劃在成本上有著巨大的優勢，他只需要造一臺直徑1米的探測器，然後把它送上太空中離地球約36萬千米的地方，比月球還要近一些。在開展計劃之前，他還可以通過「立方星」（CubeSat）初步檢驗一下這個想法，那是一種模塊化的微型衛星，人一隻手就能託住，成本也非常低廉。

光學望遠鏡主要觀測宇宙中的可見光，如果安裝相應的傳感器，也能觀測紅外線、紫外線。著名的哈勃太空望遠鏡已經工作了近三十年，拍攝了大量遙遠的星系。而我國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）巡天七年，發布了上千萬條光譜信息，為銀河系的結構和演化、恆星的物理性質等方向的研究提供了豐富的數據。

圖註：郭守敬望遠鏡的鏡面。圖片來源：中國科學院

除此之外，天文學家還藉助射電望遠鏡，收集光學望遠鏡「看」不到的電磁波。射電望遠鏡不需要那樣極度平滑的鏡面，它們可以使用像衛星信號接收器那樣的「大鍋」，也可以利用天線陣列採集信號。世界最大的單口徑射電望遠鏡——「中國天眼」FAST，口徑達到500米。FAST能夠觀測宇宙中的中性氫（即電中性的氫原子）分布，以探索宇宙起源和演化；它還能觀測脈衝星，研究極端狀態下的物質結構與物理規律。

各種功能的望遠鏡各司其職，幫助我們揭開宇宙的奧秘。不知道基平的「地球鏡」，何時能加入這個大家族呢？

圖註：FAST主體工程。圖片來源：網絡

作者 | 戚譯引

審校 | 李會超 哈爾濱工業大學博士

責編 | 高佩雯

文章由騰訊科普「科普中國頭條創作與推送項目」團隊推出

轉載請註明來自科普中國

參考來源

Clery.D, 2019, Space telescope would turn Earth into a giant magnifying lens, Science, doi:10.1126/science.aaz0283

Kipping.D, 2019, The "Terrascope": On the Possibility of Using the Earth as an Atmospheric Lens

Witze.A, 2018, Delays mount for NASA’s $8-billion Hubble successor, Nature, doi: 10.1038/d41586-018-05567-2

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