太阳将被当作放大镜,NASA提出惊人计划

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如果我们可以清晰地拍摄到环绕另一颗恒星的类地行星,照片足以分辨出海洋、大陆甚至海岸线和云朵,会是怎样的情景?

当然,按照目前人类的技术,这是不可能实现的事情。目前人类观测系外行星的方法多是用“凌日法”观测并辅以“视向速度法”确认,具体来说就是通过观测系外行星掠过其母星挡住的光确认行星的存在,距离能拍摄到那些行星的照片还差了十万八千里。

哪怕我们曾拍摄到过几张系外行星的照片,那些行星在照片里也只是像是聚光灯旁的萤火虫,只不过一个点罢了。即使人类下一代太空望远镜可以投入使用,我们仍然需要口径将近90公里的光学望远镜(非射电望远镜)才能看清光年内系外行星的表面特征。

哈勃望远镜

现在运行的哈勃望远镜口径才2.4米,哪怕连续跳票的下一代詹姆斯·韦伯望远镜也不过才6.5米的口径,和我们所需的90公里口径的望远镜相比相差甚远。

詹姆斯·韦伯望远镜

一群科学家计划通过一项惊人的计划解决这一难题。这一计划将使用太阳帆技术,建造一个比以往飞得更快飞得更远的飞船舰队,并将我们的太阳当成一个巨大的放大镜。

如果计划成功,我们将有能力观测到一批系外行星的清晰图像,其分辨率足以让我们看到该星球表面10公里宽的特征。

这个项目名称为“太阳引力透镜”,乍一听就像是科幻小说编出来的东西,然而美国航天局(NASA)、众多学院及很多航天公司都在参与该项目的开发,这里面就包括行星学会的联合创始人弗里德曼。

作为20世纪70年代NASA哈雷彗星太阳帆探测计划的提出者,弗里德曼一直致力于推进光帆飞船的研发。他认为,利用光帆在太阳系内航行是人类迈向星际探索的第一步。

美国宇航局喷气推进实验室的物理学家图里舍夫也认为,即便这一计划有着重重障碍,但是得到的回报将是令人难以置信的。

图里舍夫表示,我们至少已经在距离太阳光年内确定了几个位于宜居带内的系外行星,现在唯一的问题就是,“我们能否至少看看它们的样子”。

那么问题来了,问什么我们可以将太阳当成放大镜呢?这样做会不会暴露地球的位置?

爱因斯坦的预言

爱因斯坦早在多年前就曾在广义相对论中提出了“引力可以弯曲和放大光”的概念,这一概念被称为“引力透镜”。

根据爱因斯坦的广义相对,大质量天体附近的时空会产生畸变,当后面光线经过大质量天体附近的时空时就会产生扭曲和放大。如果观测者所处位置合适,即位于引力透镜的“焦点”就可以通过大质量天体形成的引力透镜观测被它扭曲放大的光线,甚至可以观测到光源物体的不同角度的多个像。

这种找“焦点”的方式有点像通过调整与目标距离而非调整相机焦距进行对焦。

哈勃望远镜也曾经多次观测到过类似的现象,像是遥远的星系光被更近的大质量星系扭曲放大,并从多个方面成像。

参与太阳引力透镜项目的研究人员表示,我们可以利用太阳做一样的事情,即利用太阳的引力产生的引力透镜效果去观测系外行星。

对于距离地球光年左右的系外行星,我们的观测“焦点”为距太阳亿公里远的地方,约合.4天文单位,是冥王星轨道距离的16倍。

而目前人类飞得最远的“旅行者1号”尚且只飞了亿公里,约合.7天文单位,这还是它以17.公里每秒的高速飞行40年的结果。

因此想要到达距离太远.4天文单位的“焦点”,我们需要飞得更快、更远的飞船。而依目前的技术,解决方案就是“太阳光帆飞船”。

来自光的能量

光子是没有质量的,但是它的确具有动量。太阳帆可以捕捉光子的动量,并将其作为自身的动力驱动飞船。

一艘装备太阳帆的飞船可以从太阳附近展开开始加速,飞向太阳系外部,并用短短25年完成整个.4天文单位的旅程。

与过去使用的动辄几吨的航天器不同,参与太阳引力透镜项目的研究人员计划使用一种小型的探测器,以降低发射难度和成本,并增加太阳帆的加速能力。

他们预计可以使用类似一块立方面包大小的探测器执行该任务,就像是光帆2号一样。如果太空船价格足够低,任务可以发射多个不同的探测器送到不同距离的焦点。

在焦点区域,观察者可以看到一种名为“爱因斯坦环”的结构,这就是系外星的光被大引力天体弯曲形成的光环。

这些光分成两部分,一部分是观测行星的一个10公里×10公里部分的清晰图像,另一部分是观测行星其他地区的光。

因此,如果我们能够合理通过离子推进器不断调整探测器所在的位置,从不同位置拍摄万张照片,便可以捕捉到一张分辨率为10公里的行星表面图。

计划十分宏伟,看起来也非常简单可靠,然而它真的可以被现在的人类实现吗?

可行吗

基本上说,尽管目前实现太阳引力透镜计划所需要的单个技术我们几乎都能实现,但是想让它们组合起来完成一次伟大的观测任务仍是一场令人生畏的技术挑战。

首先,精确的位置导航,远距离通信就是一大难题,这要求我们必须在计划实施之前就有完备的深空探测网,其次还需要遮阳帘,以防太阳光干扰探测器,最后我们还需要用日冕仪阻止被观测行星母星带来的光。

不过这一任务已经被NASA采信,并获得了NASA创新高级概念项目组的万美元的资助。事实上自年起,NASA创新高级概念组就已经陆续提供了种子资金,用以进行技术验证。

该项目吸引力亚利桑那大学、卫斯理大学和AerospaceCorporation等航天公司的参与,共同努力汇聚了多项创新技术,像是太阳帆、纳米卫星以及飞船编队飞行等。

研究人员认为,太阳引力透镜任务将为人类开创一个全新的探索架构,甚至能够帮我们回答一个最重要的问题:我们是唯一存在宇宙中的文明吗?

而且可以看到,该项技术仅仅是利用大质量天体扭曲空间的原理进行被动观测,并不会暴露地球坐标。

正如我刚才所说,实施该计划所需的技术基本均已存在,剩下的就看研究团队如何更好地利用这些技术,让太阳引力透镜项目尽早实现。

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