斯坦福大学的未来式重力望远镜可拍摄系外行星 比现有技术强大1000倍

为了避开望远镜的物理限制，斯坦福大学的天体物理学家一直在开发一种新的概念性成像技术，它将比目前使用的最强的成像技术精确1000倍。通过利用引力对时空的扭曲效应，即所谓的引力透镜，科学家们有可能操纵这一现象，创造出比目前可用的任何技术都要先进的成像。

在今天（2022年5月2日）发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文中，研究人员描述了一种操纵太阳引力透镜以观察太阳系外行星的方法。通过将望远镜、太阳和系外行星放在一条线上，太阳在中间，科学家可以利用太阳的引力场来放大系外行星经过时发出的光线。相对于放大镜有一个弯曲的表面使光线弯曲，引力透镜有一个弯曲的时空，能够对遥远的物体进行成像。

一个重建地球图像的例子，使用太阳引力透镜投射的围绕太阳的光环。实现这种重建的算法可以应用于系外行星，以获得更好的成像。

斯坦福大学人文与科学学院的物理学教授、卡夫里粒子天体物理学和宇宙学研究所（KIPAC）副所长布鲁斯-麦金托什说："我们想拍摄围绕其他恒星运行的行星的照片，其效果不亚于我们对自己太阳系中的行星所做的照片。有了这项技术，我们希望能拍摄一张100光年外的行星的照片，其影响力与阿波罗8号拍摄的地球照片相同。"

目前的问题是，他们提出的技术将需要比目前更先进的太空旅行。不过，研究人员说，这一概念的前景以及它可能揭示的其他行星的情况，使它值得继续考虑和发展。

让光弯曲的好处

引力透镜直到1919年的日食期间才被实验观察到。由于月亮阻挡了来自太阳的光线，科学家们能够看到太阳附近的星星偏离了它们的已知位置。这是明确的证据，证明引力可以弯曲光线，也是爱因斯坦的相对论正确的第一个观察证据。后来，在1979年，斯坦福大学教授冯-埃什勒曼发表了一份关于天文学家和航天器如何利用太阳引力透镜的详细说明。(同时，包括斯坦福大学KIPAC的许多天文学家现在经常利用最大规模星系的强大引力来研究宇宙的早期演变）。

但直到2020年，人们才详细探索了这种成像技术，以观察行星。加州理工学院喷气推进实验室的斯拉瓦·图里舍夫描述了一种技术，即天基望远镜可以使用火箭围绕行星的光线进行扫描，以重建一份清晰的图像，但该技术需要大量的燃料和时间。

描绘这种概念性系外行星成像技术与现有成像想法相比的动图。

在Turyshev工作的基础上，KIPAC的博士生亚历山大·马杜罗维奇发明了一种新的方法，可以从直视太阳的单一图像中重建一个行星的表面。通过捕捉太阳周围由系外行星形成的光环，马杜罗维奇设计的算法可以通过扭转引力透镜的弯曲来消除光环的扭曲，从而将光环重新变成一个圆形的行星。

马杜罗维奇通过使用位于地球和太阳之间的卫星DSCOVR拍摄的旋转地球的图像来展示他的工作。然后，他用一个计算机模型来观察地球在太阳引力的扭曲作用下会是什么样子。通过将他的算法应用于观测，马杜罗维奇能够恢复地球的图像并证明他的计算是正确的。

为了通过太阳引力透镜捕捉到系外行星的图像，一台望远镜必须被放置在比冥王星更远的地方，超过我们太阳系的边缘，比人类曾经发送过的航天器还要远。但是，这个距离只是太阳和系外行星之间光年的极小部分。

"通过解开被太阳弯曲的光线，可以创造出远远超过普通望远镜的图像，"马杜罗维奇说。"因此，科学潜力是一个未开发的谜，因为它开启了这种尚不存在的新的观测能力。"

目标设定在太阳系之外

目前，为了以科学家描述的分辨率对一颗系外行星进行成像，我们需要一个比地球宽20倍的望远镜，当然这是不可能的。而通过像望远镜一样利用太阳的引力，科学家们可以将其作为一个巨大的自然透镜来利用。一个哈勃大小的望远镜与太阳引力透镜相结合，足以对系外行星进行成像，其功率足以捕捉表面的精细细节。

马杜罗维奇说："太阳引力透镜为观察开辟了一个全新的窗口，这将足以用来调查行星大气的详细动态，以及云层和表面特征的分布，我们现在没有办法调查这些。"

但是，按目前的航天发展水平，人类至少需要50年的时间才能部署这项技术，很可能更长。为了采用这种技术，我们需要更快的航天器，如果用当今最先进的载具计算，可能需要100年的时间才能到达镜头。使用太阳帆或太阳作为引力弹弓，时间可能短至20或40年。尽管时间表不确定，但看到一些系外行星是否有大陆或海洋的可能性始终是他们的动力。两者的存在是一个强有力的指标，表明在一个遥远的星球上可能存在生命。

"这是发现其他行星上是否有生命的最后步骤之一，通过拍摄另一个星球的照片，你可以看到作为森林的绿色斑块和作为海洋的蓝色斑点--有了这些，就很难说它没有生命了。"