我們如何才能捕捉到類似地球的系外行星的照片？用太陽！

圖解：藝術家繪製的關於比鄰星b的表面的概念圖，圖源：ESO/M。 Kornmesser

目前最大的望遠鏡也無法捕捉到離我們最近的已知類地系外行星——比鄰星b。如果人類想獲得一個這樣遙遠世界的照片，我們需要思考得更遠。

如果我們想獲得這樣的照片，其中一種方法是利用太陽。太陽的引力使它周圍的空間彎曲，而這種彎曲能夠使光的路徑發生偏轉。在適當的距離下，太陽可以被 當作為一個巨大的放大鏡，提供拍攝系外行星所需的分辨力。

那麼，該如何才能將望遠鏡送到令人難以置信的遙遠地方呢？一個天文學家小組建議使用一個巨大的光帆來推動航天器到達那裡。

天文學家們正在尋找一顆圍繞著類似太陽的類地行星，其距離恰好可以讓液態水在其表面存在。但科學家們至今還沒有找到那顆行星，儘管人類已經發現了超過4000顆已知的系外行星，令人印象深刻。

絕大多數系外行星的搜尋工作都依賴於對非常小、非常遙遠的物體的觀測。通常，天文學家擁有的資料物件可能比一個畫素還要小，他們觀察亮度變化或光的光譜變化來確定系外行星的存在。

在少數罕見的情況下，天文學家已經能夠拍到系外行星的照片，但那些都是非常特殊的情況，例如附近的、絕對巨大的行星。

即使我們找到了一個地球2。0，我們也無法拍下它的照片。舉個例子，最大的光學望遠鏡即將是智利的Vera C。 Rubin天文臺，其孔徑為8。4米（27。6英尺）。那是一個真正的巨型望遠鏡。但是，如果我們把它對準比鄰星b——最近的已知系外行星，距離大約4光年。在這個距離上，它的分辨能力將達到120萬英里（190萬公里），大約是地球寬度的150倍。

其他即將投入使用的望遠鏡，如智利的極大型望遠鏡和夏威夷的三十米望遠鏡，將無法在這個數字上取得多大的突破。我們所有計劃中的天文臺，包括空間和地面的，在未來的幾十年裡，將永遠無法看到外星的任何東西，而只是一個光的畫素。

圖解：藝術家繪製的太陽帆概念圖。圖源：美國宇航局

彎曲的重力

假設我們真的確認了地球2。0的存在；我們找到了一個可居住的世界，並且透過光譜學，我們確定生命可能已經找到了一個立足點。我們怎麼可能拍下它的照片呢？

答案就在於引力。根據愛因斯坦的廣義相對論，物質和能量會彎曲它們周圍的時空。光會被迫跟隨這種空間的彎曲；無論空間彎曲到哪裡，光都必須跟隨。

英國天體物理學家阿瑟·愛丁頓正是利用這種光的偏轉來進行廣義相對論的第一次實驗測試，他研究了日食期間光線擦過太陽表面的星星的偏轉。由於空間的彎曲，恆星出現在天空中錯誤的地方，其距離完全由愛因斯坦的方程所預測。

這樣的作用就像一個透鏡。而透鏡不僅僅用具聚焦光線；它們還能放大光線。如果你把太陽想象成一個巨大的放大鏡，你所要做的就是把一個航天器放在這個透鏡的焦點處，以利用其放大能力。

這是一個多大的力量呢？太陽的引力可以像一個具有幾千億放大力的透鏡。一個利用這一點的航天器，在比鄰星系上進行訓練，將具有幾英里的分辨力。這將使它能夠繪製出大陸、海洋、冰蓋，甚至可能是生物群落。這將是瞭解我們周圍宇宙的一個非常強大的視窗。

但也存在一個問題。這個焦點，也就是我們需要放置望遠鏡以利用太陽引力透鏡的位置，距離大約550個天文單位（AU）。一個AU是地球和太陽之間的平均距離——大約9300萬英里（1。5億公里），所以這意味著焦點將需要在550個地球-太陽距離之外。這幾乎是冥王星的20倍之遠。旅行者1號，比其他任何航天器離地球都要遠，目前離太陽大約40AU。

那麼，我們如何將一艘航天器送到如此遙遠的目的地呢？一個天文學家小組提出了一個解決方案：使用光帆。

在他們7月份釋出在預印本伺服器arXiv上的一篇論文中，研究人員建議使用一個不超過220磅（100公斤）的航天器，附著在一個巨大的光帆上，一個模仿船帆的巨大薄片。光帆將利用來自太陽的光來推動航天器，可能每年行駛約20AU。這將使望遠鏡——它不需要那麼令人印象深刻，因為太陽將做大部分的工作——在不到四分之一世紀內到達太陽焦點。考慮到設計、建造和發射像韋伯太空望遠鏡這樣的儀器需要多長時間，這並不是一個很大的問題。

儘管如此，光帆還沒有被部署到太空旅行中。這需要在材料科學和工程方面有一個巨大的飛躍，才能夠設計出一個真正能夠推動航天器的輕質帆。因此，未來的系外行星成像器可能是下一代天文學家的事，但至少它不是科幻小說。

BY： Paul Sutte

FY：秋白

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