用太阳做引力透镜，焦点在970亿公里外，焦距比旅行者1号远5倍！

来源：互联网 2024-11-12 23:29:50 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们

如果能拍一张围绕另一颗恒星类似地球的行星照片，其清晰度足以看到大陆、海洋和云层，会怎么样？从地球的有利位置来看，系外行星（围绕其他恒星运行的行星）在聚光灯下看起来就像萤火虫。在天文学家设法拍摄为数不多的几张照片中，系外行星仅仅是点而已。即使下一代太空望远镜上线，这一点也不会改变，以为起码需要一台90公里口径的望远镜才能看到100光年外行星上的表面特征。

现在，有一组研究人员有一个大胆的计划来克服这些困难，这个计划涉及到使用一大批太阳帆航天器，比任何以前的太空探测器飞得更快、更远，转身，并将离我们相对遥远的太阳引力作为一个巨大放大镜。如果它起作用，将能够捕捉到一颗系外行星的图像，这些图像将非常清晰，以至于可以看到比例尺仅10公里宽的地貌。这个项目被称为太阳引力透镜（SGL），听起来就像是直接从科幻小说中走出来的东西。

太阳引力透镜

美国宇航局（NASA）和一批大学、航空航天公司和其他组织参与其中，还有行星协会的联合创始人卢·弗里德曼(Lou Friedman)，他是最初的太阳航行大师。弗里德曼是太阳引力透镜项目的顾问，曾在20世纪70年代领导美国国家航空航天局(NASA)向哈雷彗星发送太阳帆航天器的努力，他说：我总是对试图实现一些其他方式不可能发生的事情感到兴奋，我们在行星协会开始太阳航行的全部原因是，它让我们在星际探索方面迈出了第一步。

光帆运行得非常好，成功给了穿越太阳系的想法以信心和可信度。太阳引力透镜项目的带头人、NASA喷气推进实验室物理学家斯拉瓦·图里谢夫(Slava Turyshev)说：该计划有很多障碍，但回报将是令人难以置信的，在我们的太阳系附近，将其归类为100光年以内，我们已经发现了几颗系外行星，它们可能位于恒星的宜居区。即恒星周围可能存在液态水、不太热也不太冷的区域。

引力透镜原理

所以现在有一个问题，如果发现了一些表明系外行星上存在生命的东西，我们会怎么做？我们能去那里旅行吗？或者至少能看到它吗？阿尔伯特·爱因斯坦在一个多世纪前就预言了引力可以弯曲和放大光的想法，这一概念被称为引力透镜。从观察者的角度来看，如果观察者位于被称为焦点的正确位置，那么来自距离较远的物体经过靠近巨大前景物体的光线会被扭曲和放大。

这类似于可以通过找到距目标正确距离来对焦相机的方式，而不是调整相机的焦距。哈勃太空望远镜和其他天文台已经看到了这一现象：遥远星系的细小弧形和光环，被较近的星系的引力扭曲和放大。太阳引力透镜项目背后的研究人员说：我们可以对系外行星做同样的事情，只需要旅行到焦点位置即可。对于一颗100光年外的系外行星，焦点在970亿公里(600亿英里)之外，这个距离是太阳距离是冥王星的16倍。

超长焦距解决方案

旅行者1号比任何其他人造物体都要冒险进入更远的太空，只旅行了大约200亿公里(130亿英里)，约为旅行者1号目前距离的5倍，旅行者1号花了40年的时间才到达那里。更快到达那里的解决方案是什么？太阳帆船！太阳帆捕捉来自太阳光的动量，并利用这种动量作为推进器。使用这项技术，太阳引力透镜宇宙飞船将在接近太阳的地方飞行，加速并将自己抛向太阳系的外部，在短短25年内就能完成这段旅程。

与过去使用的又大又重航天器不同，研究人员设想了小型、有弹性的探测器，可以与其他任务一起捕捉火箭进入太空的过程，以降低发射成本。一种可能性是使用成群面包大小的立方体卫星，类似于LightSail 2，它们可以自组装成一个更大的单一光学系统。如果航天器足够便宜，任务可以被送到多个系外行星的焦点。在焦点区域，来自系外行星的光，将被“涂抹”成一个被称为爱因斯坦环的圆圈戒指，戒指将包含2个部分。

其中一部分将来自系外行星一个10乘10公里的单一部分，在最终图像中只产生一个像素。该部分将包含来自系外行星其余部分的光线。当航天器加速通过焦点区域时，它将需要使用微型离子推进器四处移动（阳光在这个距离上太弱，不适合太阳航行）以改变太阳系外行星的焦点部分。在正确的光学系统下，从不同位置拍摄100万张环的照片，可以产生类似于1968年阿波罗8号宇航员从月球上拍摄的照片，并捕捉到直径只有10公里的表面特征。

可行性如何？

至少可以说，太阳引力透镜面临的技术挑战令人望而生畏。首先，需要精确导航，远距离通信，以及需要遮阳篷以防止太阳光进入望远镜，还需要一台日冕仪来阻挡来自系外行星母星的光线。美国宇航局（NASA）充分相信这一概念，以至于目前从其NIAC(NASA创新高级概念)项目中授予了它200万美元的赠款。NIAC成立于1998年，提供种子资金，帮助创新想法脱离设计阶段，太阳引力透镜只是该项目历史上第三个进入项目第三阶段的研究。

该项目的成功可能在于其多样化的团队，这对NIAC项目来说是一种独特的方法。合作努力包括来自喷气推进实验室和多所大学的几名研究人员，包括加州大学洛杉矶分校、亚利桑那大学和卫斯理大学，航天公司，航空航天公司和NXTRAC公司，这两家公司都专门从事任务设计和技术分析。这种多组织的努力汇集了最新技术创新，如太阳帆、人工智能、纳米卫星和编队飞行方面的突破性技术。

来自Partnering AerSpace Corporation的SGLF任务技术负责人托马斯·海因斯海默(Thomas Heinshemer)说：而且像太阳引力透镜这样的任务，可能会导致人类探索太空的方式发生转变。从过去为人类服务得很好昂贵的大型航天器，变成了成群结队的小航天器，共同努力，在远离地球的地方做出新发现。太阳引力透镜为许多太空探索组织创造了一个探索架构，让我们共同努力回答一个鼓舞人心的问题：在宇宙中，我们是孤独的吗？

图里谢夫认为，当前这一代人或许能够回答这个问题，太阳引力透镜作为一个“焦点”，帮助太空工业转变为一个更具合作性的企业。太阳引力透镜可能会为多项技术努力提供这一点，以真正推动人类向前迈出太阳系外的第一步。所需的技术确实已经存在，但挑战是如何利用这些技术，如何加快它们的发展，然后如何最好地利用它们，现在正处于太空工业一个激动人心的时期的开始，在那里进入太阳引力透镜将是切实可行的，而且在科学上也是令人兴奋的。