用太陽做引力透鏡,焦點在970億公里外,焦距比旅行者1號遠5倍!

如果能拍一張圍繞另一顆恒星類似地球的行星照片,其清晰度足以看到大陸、海洋和云層,會怎么樣?從地球的有利位置來看,系外行星(圍繞其他恒星運行的行星)在聚光燈下看起來就像螢火蟲。在天文學家設法拍攝為數不多的幾張照片中,系外行星僅僅是點而已。即使下一代太空望遠鏡上線,這一點也不會改變,以為起碼需要一臺90公里口徑的望遠鏡才能看到100光年外行星上的表面特征。

現在,有一組研究人員有一個大膽的計劃來克服這些困難,這個計劃涉及到使用一大批太陽帆航天器,比任何以前的太空探測器飛得更快、更遠,轉身,并將離我們相對遙遠的太陽引力作為一個巨大放大鏡。如果它起作用,將能夠捕捉到一顆系外行星的圖像,這些圖像將非常清晰,以至于可以看到比例尺僅10公里寬的地貌。這個項目被稱為太陽引力透鏡(SGL),聽起來就像是直接從科幻小說中走出來的東西。

太陽引力透鏡

美國宇航局(NASA)和一批大學、航空航天公司和其他組織參與其中,還有行星協會的聯合創始人盧·弗里德曼(Lou Friedman),他是最初的太陽航行大師。弗里德曼是太陽引力透鏡項目的顧問,曾在20世紀70年代領導美國國家航空航天局(NASA)向哈雷彗星發送太陽帆航天器的努力,他說:我總是對試圖實現一些其他方式不可能發生的事情感到興奮,我們在行星協會開始太陽航行的全部原因是,它讓我們在星際探索方面邁出了第一步。

光帆運行得非常好,成功給了穿越太陽系的想法以信心和可信度。太陽引力透鏡項目的帶頭人、NASA噴氣推進實驗室物理學家斯拉瓦·圖里謝夫(Slava Turyshev)說:該計劃有很多障礙,但回報將是令人難以置信的,在我們的太陽系附近,將其歸類為100光年以內,我們已經發現了幾顆系外行星,它們可能位于恒星的宜居區。即恒星周圍可能存在液態水、不太熱也不太冷的區域。

引力透鏡原理

所以現在有一個問題,如果發現了一些表明系外行星上存在生命的東西,我們會怎么做?我們能去那里旅行嗎?或者至少能看到它嗎?阿爾伯特·愛因斯坦在一個多世紀前就預言了引力可以彎曲和放大光的想法,這一概念被稱為引力透鏡。從觀察者的角度來看,如果觀察者位于被稱為焦點的正確位置,那么來自距離較遠的物體經過靠近巨大前景物體的光線會被扭曲和放大。

這類似于可以通過找到距目標正確距離來對焦相機的方式,而不是調整相機的焦距。哈勃太空望遠鏡和其他天文臺已經看到了這一現象:遙遠星系的細小弧形和光環,被較近的星系的引力扭曲和放大。太陽引力透鏡項目背后的研究人員說:我們可以對系外行星做同樣的事情,只需要旅行到焦點位置即可。對于一顆100光年外的系外行星,焦點在970億公里(600億英里)之外,這個距離是太陽距離是冥王星的16倍。

超長焦距解決方案

旅行者1號比任何其他人造物體都要冒險進入更遠的太空,只旅行了大約200億公里(130億英里),約為旅行者1號目前距離的5倍,旅行者1號花了40年的時間才到達那里。更快到達那里的解決方案是什么?太陽帆船!太陽帆捕捉來自太陽光的動量,并利用這種動量作為推進器。使用這項技術,太陽引力透鏡宇宙飛船將在接近太陽的地方飛行,加速并將自己拋向太陽系的外部,在短短25年內就能完成這段旅程。

與過去使用的又大又重航天器不同,研究人員設想了小型、有彈性的探測器,可以與其他任務一起捕捉火箭進入太空的過程,以降低發射成本。一種可能性是使用成群面包大小的立方體衛星,類似于LightSail 2,它們可以自組裝成一個更大的單一光學系統。如果航天器足夠便宜,任務可以被送到多個系外行星的焦點。在焦點區域,來自系外行星的光,將被“涂抹”成一個被稱為愛因斯坦環的圓圈戒指,戒指將包含2個部分。

其中一部分將來自系外行星一個10乘10公里的單一部分,在最終圖像中只產生一個像素。該部分將包含來自系外行星其余部分的光線。當航天器加速通過焦點區域時,它將需要使用微型離子推進器四處移動(陽光在這個距離上太弱,不適合太陽航行)以改變太陽系外行星的焦點部分。在正確的光學系統下,從不同位置拍攝100萬張環的照片,可以產生類似于1968年阿波羅8號宇航員從月球上拍攝的照片,并捕捉到直徑只有10公里的表面特征。

可行性如何?

至少可以說,太陽引力透鏡面臨的技術挑戰令人望而生畏。首先,需要精確導航,遠距離通信,以及需要遮陽篷以防止太陽光進入望遠鏡,還需要一臺日冕儀來阻擋來自系外行星母星的光線。美國宇航局(NASA)充分相信這一概念,以至于目前從其NIAC(NASA創新高級概念)項目中授予了它200萬美元的贈款。NIAC成立于1998年,提供種子資金,幫助創新想法脫離設計階段,太陽引力透鏡只是該項目歷史上第三個進入項目第三階段的研究。

該項目的成功可能在于其多樣化的團隊,這對NIAC項目來說是一種獨特的方法。合作努力包括來自噴氣推進實驗室和多所大學的幾名研究人員,包括加州大學洛杉磯分校、亞利桑那大學和衛斯理大學,航天公司,航空航天公司和NXTRAC公司,這兩家公司都專門從事任務設計和技術分析。這種多組織的努力匯集了最新技術創新,如太陽帆、人工智能、納米衛星和編隊飛行方面的突破性技術。

來自Partnering AerSpace Corporation的SGLF任務技術負責人托馬斯·海因斯海默(Thomas Heinshemer)說:而且像太陽引力透鏡這樣的任務,可能會導致人類探索太空的方式發生轉變。從過去為人類服務得很好昂貴的大型航天器,變成了成群結隊的小航天器,共同努力,在遠離地球的地方做出新發現。太陽引力透鏡為許多太空探索組織創造了一個探索架構,讓我們共同努力回答一個鼓舞人心的問題:在宇宙中,我們是孤獨的嗎?

圖里謝夫認為,當前這一代人或許能夠回答這個問題,太陽引力透鏡作為一個“焦點”,幫助太空工業轉變為一個更具合作性的企業。太陽引力透鏡可能會為多項技術努力提供這一點,以真正推動人類向前邁出太陽系外的第一步。所需的技術確實已經存在,但挑戰是如何利用這些技術,如何加快它們的發展,然后如何最好地利用它們,現在正處于太空工業一個激動人心的時期的開始,在那里進入太陽引力透鏡將是切實可行的,而且在科學上也是令人興奮的。

博科園|研究/來自:行星學會

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