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科学家要把地球变成一个巨大的放大镜

时间: 2019年08月13日 | 作者: 宿二十 | 来源: 原理
在未来十年的某个时刻,欧洲特大望远镜(ELT)将会完工,到那时,它将成为世界上最大的望远镜。


 

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ELT和其他望远镜的主镜面积比较。| 图片来源:Wikimedia Commons


在未来十年的某个时刻,欧洲特大望远镜(ELT)将会完工,到那时,它将成为世界上最大的望远镜。ELT的主镜直径约为40米,从上面这张图中,我们可以看到它和其他知名望远镜的大小对比。


越来越大的望远镜意味着越来越强大的集光能力,但自然也意味着越来越昂贵的造价。那么,除了一味地建造大型望远镜之外,我们还能做些别的吗?

哥伦比亚大学的天文学家David Kipping有了一个绝妙的想法。他想要将一个太空望远镜置于比月球还要远的地方,接着利用地球大气层的聚焦能力,将暗淡天体的亮度放大数万倍。


Kipping将这样一个望远镜称为地球镜(Tarrascope)。由地球镜所产生的图像的美丽程度自然无法与哈勃太空望远镜相媲美,毕竟地球的大气是易变的。但是,它能发现现有望远镜无法发现的天体,比如那些非常微弱的小型系外行星,或者是那些能对地球造成威胁的小行星。


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地球镜可以利用大气层作为透镜,将遥远物体的光放大22500倍。| 图片来源:James Tuttle Keane


虽然,这个想法还过于新颖,但我们已经具备了必要的技术。Kipping将这些想法写成论文,发表在了arXiv上。许多读过论文的天文学家都惊叹于他对这一问题的深远思考,并认为这是一个有趣的思想实验。但他们普遍认为还有许多细节需要仔细思考,才能得到更多的证据来证明这个想法真的能奏效。


2.Kipping致力于搜索其他行星系统中的卫星,去年,他在距地球8000光年外的地方,找到了一颗海王星大小的天体,这很可能是第一颗确认的系外卫星。


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第一颗系外卫星或许是一个海王星大小的世界围绕着一个木星大小的行星。| 图片来源:Dan Durda


早在13年前,Kipping就萌生了地球镜的想法,当时,他正在研究一种名为绿闪光的罕见大气现象,这种现象出现在太阳落下地平线之后,大气的折射和散射一起作用,暂时性地从阳光中选出绿色的光。


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他意识到,当太阳从地球的后面经过时,太阳光会因环绕在地球周围的空气环而发射折射,那么如果这时我们处于一个正确的位置上时,就有可能看到一个完整的绿色光环。


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Kipping的另一个灵感来源,是太阳本身就可被用作透镜这一想法。太阳的引力能将光聚焦到一个太空探测器上,这样一个太阳透镜能将光放大百万甚至十亿倍,如此一来就有可能将系外行星的表面带进视野。

由这个想法应运而生的是欧洲航天局在1993年计划的FOCAL任务。但它从未得到真正的关注,因为这需要将探测器放置在日地距离550倍的位置上,比海王星还要远将近20倍,是一个航天器需要飞行一个世纪才能抵达的距离。


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但地球镜却可以离我们更近。Kipping计算出,在地球正后方的天体所发出的光会在擦过地球表面后发生偏转,然后聚焦到地月之间的一个点上,处于地月距离85%的位置上。


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能抵达那个焦点的光很可能会在穿过低层大气时遇到云层和大量的湍流。但是,如果将探测器移到150万公里以外,也就是聚焦到一个比月球距离远4倍的地方,那么它就能收集到来自平静得多的、没有云的平流层的光线。

在这个距离上,如果用一个1米的望远镜观测一整夜,就将看到一个天体的亮度被提高到原来的22500倍,这相当于使用了一个150米的望远镜。这是非常强大的放大能力,使得地球镜可以探测到光芒十分微弱的天体,以及非常明锐地识别出亮度出现的极微小变化。因此它能在扫描天空时寻找那些非常小、非常暗的小行星,也能在小型的系外行星经过明亮的恒星之时,捕捉到亮度出现的微小变化。


为了避免受到地球明亮的光的干扰,这个望远镜还需要一个日冕仪的遮罩来遮挡它。但Kipping还没有考虑到“大气辉光”的影响,这是一种通过发光和其他过程从上层大气中发出的昏暗的光。但他指出,可以利用滤镜或数码技术来消除这种发光。他认为,用一个便宜、烤面包机大小的CubeSat任务,就可以对这一概念进行检验。


3.有天文学家认为,大气的变化很可能会严重降低地球镜的图像质量。若要评估这种影响,下一步研究人员应该用真实的地球大气模型进行光线追踪分析。理想情况下,这个巨型透镜应该能将光线聚焦到一个点上。但现实情况下,可能会得到一些有斑点的图样。

谨慎的天文学家们认为,地球的大气层是个非常不理想的透镜,它会产生非常模糊的图像。但它或许可以成为一个研究微弱天体的亮度变化的工具,将它变成一个巨大的光的放大镜。


至少,Kipping已经成功地让其他天文学家开始研究这个想法,虽然几乎没有人会基于这篇论文就发射一个航天器,但至少这是朝这个方向前进的出色的第一步。


参考来源:

[1] https://www.youtube.com/watch?v=jgOTZe07eHA

[2] https://www.sciencemag.org/news/2019/08/space-telescope-would-turn-earth-giant-magnifying-lens