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科學家想把地球變成“放大鏡”

可將遠處天體的光放大22500倍

2019-08-08 中國科學報 趙熙熙
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  月球外的太空望遠鏡可以利用地球大氣層作為透鏡,將遠處天體的光放大22500倍。圖片來源:JAMES TUTTLE KEANE

  當它在下個10年的某一天完工時,歐洲直徑近40米的超大望遠鏡將成為世界上最大的望遠鏡。然而一位天文學家如今提出了一個更強大太空望遠鏡的設想——它將利用地球大氣層本身作為自然透鏡收集和聚焦光線,相當于一架直徑150米的望遠鏡。

  美國哥倫比亞大學天文學家David Kipping發現,一架位于月球之外的1米大小的太空望遠鏡,可以利用環繞在行星邊緣的大氣層的聚焦能力,將暗淡天體的亮度放大數萬倍。

  盡管由于地球大氣變化太大,以至于Kipping所說的Terrascope望遠鏡并不能產生與哈勃太空望遠鏡相媲美的美麗圖像,但它卻能發現比現有水平更微弱的天體,包括小型系外行星或威脅地球的小行星。Kipping承認,需要做更多的工作來證明這個想法,但必要的技術業已存在。他表示:“這些都不是在重新搞發明,只是需要更用力地推動。”

  讀過上周Kipping在arXiv上發表的論文的天文學家對此既高興又謹慎。荷蘭萊頓大學Matt Kenworthy表示,他“對科學家投入了這么多精力感到震驚”,但他希望有更多證據表明這種做法能夠奏效。“我想坐下來,做一個更現實的模型。”Kenworthy說。

  加州帕洛阿爾托市斯坦福大學Bruce Macintosh補充道:“這是一個有趣的思維實驗,但有很多細節需要仔細考慮。”

  Kipping以在其他行星系統中搜尋衛星而聞名,他在去年成為了發現第一個系外衛星的有力競爭者。他說Terrascope望遠鏡的最初想法來自其13年前研究一種被稱為綠光的罕見大氣現象——當太陽落到地平線下時,大氣折射和散射會一起選擇來自太陽的綠光。他意識到,當太陽從地球后面經過,它的光被環繞地球圓周的空氣所折射,你便有可能從一個正確的位置看到一個完整的綠色光環。

  Kipping的靈感還來自太陽本身可以用作透鏡的想法——其引力能夠將光線聚焦到一個太空探測器上。這樣一種太陽透鏡可以將光放大100萬到10億倍,從而將系外行星的表面帶進人們的視野。這個想法促使歐洲空間局于1993年提出了快速發射巨大天文透鏡計劃。但該計劃從未獲得足夠支持,因為探測器在太空中的位置必須是日地距離的550倍,而一個航天器要到達這個距離需要一個世紀。

  但Kipping說,Terrascope望遠鏡可能離我們更近。他計算出,從地球后方的天體反射過來的表面光線會被投射到月球外側85%月地距離的焦點上。而到達那個焦點的光在穿過低層大氣時很可能會遇到云層和大量湍流。但是,如果把探測器移到150萬公里以外,這大約相當于4個月地距離,它就能采集到在13.7公里高空穿過平靜且無云的平流層的光線。

  Kipping計算出,在這個距離用1米的望遠鏡觀察一整夜,將會看到一個天體的亮度提高到原來的22500倍——相當于使用一架直徑150米的望遠鏡。他說,Terrascope望遠鏡強大的放大能力意味著,它將擅長探測非常微弱的天體,或識別亮度非常微小的變化,這使其能夠掃描天空,尋找非常小、非常暗的小行星,或者在小型系外行星于明亮恒星前經過時,測量亮度的微小變化。

  為了避免被明亮的地球弄得眼花繚亂,望遠鏡需要一個被稱為日冕儀的遮罩來遮擋它。Kipping還說,他還沒有考慮到“氣輝”的影響。“氣輝”是一種通過發光和其他過程在高層大氣中發出的昏暗光線。但他指出,可以用濾鏡或數碼技術消除這種發光。Kipping表示,Terrascope望遠鏡的概念可以通過一個廉價的烤箱大小的CubeSat任務進行測試。

  Kenworthy說,大氣的變化可能會嚴重降低Terrascope望遠鏡的圖像質量。為了評估這種影響,他表示,“下一步應該用真實的地球大氣模型進行光線追蹤”。理想情況下,巨型透鏡應該將光線聚焦到一個點上。“在現實中,你可能會看到一些斑點。”

  Macintosh對此表示同意。“地球的大氣層是一個非常不理想的透鏡,所以它會產生非常模糊的圖像。”但它作為一個巨大的放大“光斗”,可能會扮演一個研究非常微弱天體亮度變化的角色。

  至少Kipping讓天文學家開始討論這個想法。Kenworthy說:“我不會僅憑這張紙就發射一顆衛星。但這是很好的第一步。”

打印 責任編輯:侯茜

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