科学家描述了一种可以成像系外行星的重力望远镜

该图显示了一种概念成像技术,该技术使用太阳的引力场来放大来自系外行星的光。 这将允许对系外行星的外观进行高度先进的重建。 学分:亚历山大·马杜罗维茨

自 1992 年第一颗系外行星被发现以来,天文学家已经探测到 5,000 多颗行星围绕其他恒星运行。 但是当天文学家探测到一颗新的系外行星时,我们并没有对它了解很多:我们知道它的存在以及它的一些特征,但其余的都是一个谜。

为了避开望远镜的物理限制,斯坦福大学的天体物理学家一直在研究一种新的概念成像技术,该技术的精度将是目前使用的最强成像技术的 1000 倍。 通过利用重力对时空的翘曲效应(称为透镜效应),科学家们可以潜在地操纵这种现象,以创造比当今任何一种都先进得多的成像。

在 5 月 2 日发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文中,研究人员描述了一种操纵太阳引力透镜以观察太阳系外行星的方法。 通过将望远镜、太阳和系外行星放置在与太阳中间的一条直线上,科学家们可以利用太阳的引力场在系外行星经过时放大来自系外行星的光。 与具有弯曲光的曲面的放大镜相反,引力透镜具有弯曲的时空,可以对远处的物体进行成像。

斯坦福大学人文与科学学院物理学教授布鲁斯·麦金托什 (Bruce Macintosh) 说:“我们希望拍摄围绕其他恒星运行的行星的照片,这些照片与我们拍摄的太阳系行星照片一样好。”卡弗里粒子天体物理和宇宙学研究所(KIPAC)副主任。 “通过这项技术,我们希望拍摄一张距离地球 100 光年的行星的照片,它与阿波罗 8 号拍摄的地球照片具有相同的影响。”

目前的问题是,他们提出的技术需要比目前可用的更先进的太空旅行。 研究人员表示,尽管如此,这个概念的前景以及它可能揭示的其他行星的信息,使其值得继续考虑和发展。

光弯曲的好处

直到 1919 年的日食期间,人们才通过实验观察到引力透镜效应。 由于月球挡住了来自太阳的光线,科学家们能够看到太阳附近的恒星偏离了它们已知的位置。 这是引力可以使光弯曲的明确证据,也是爱因斯坦相对论正确的第一个观测证据。 后来,在 1979 年,斯坦福大学教授 Von Eshleman 发表了关于天文学家和航天器如何利用太阳引力透镜的详细说明。 (与此同时,包括斯坦福大学 KIPAC 在内的许多天文学家现在经常使用最大质量星系的强大引力来研究宇宙的早期演化。)

但直到 2020 年,成像技术才被详细探索以观察行星。 加州理工学院喷气推进实验室的 Slava Turyshev 描述了一种技术,天基望远镜可以使用火箭扫描来自行星的光线以重建清晰的图像,但该技术需要大量的燃料和时间。

以 Turyshev 的工作为基础,Alexander Madurowicz,博士。 KIPAC 的一名学生发明了一种新方法,该方法可以从直视太阳拍摄的单张图像中重建行星表面。 通过捕捉由系外行星形成的太阳周围的光环,Madurowicz 设计的算法可以通过扭转引力透镜的弯曲来使来自光环的光不失真,从而使光环变回圆形行星。

Madurowicz 使用位于地球和太阳之间的卫星 DSCOVR 拍摄的旋转地球图像展示了他的工作。 然后,他使用计算机模型通过太阳引力的翘曲效应观察地球会是什么样子。 通过将他的算法应用于观测,Madurowicz 能够恢复地球的图像并证明他的计算是正确的。

为了通过太阳引力透镜捕捉系外行星图像,望远镜必须放置在距离太阳至少比冥王星远 14 倍的地方,越过我们太阳系的边缘,并且比人类发射的航天器更远。 但是,距离只是太阳和系外行星之间光年的一小部分。

“通过弯曲被太阳弯曲的光线,可以创造出远远超出普通望远镜的图像,”马杜罗维茨说。 “因此,科学潜力是一个尚未开发的谜团,因为它开启了这种尚不存在的新观测能力。”

太阳系以外的景点

目前,要以科学家描述的分辨率对系外行星进行成像,我们需要一个比地球宽 20 倍的望远镜。 通过像望远镜一样使用太阳的引力,科学家们可以利用它作为一个巨大的自然透镜。 哈勃大小的望远镜与太阳引力透镜相结合,足以对具有足够能量的系外行星进行成像,以捕捉表面的精细细节。

“太阳引力透镜打开了一个全新的观察窗口,”马杜罗维奇说。 “这将允许调查行星大气的详细动态,以及云和表面特征的分布,我们现在无法调查。”

Madurowicz 和 Macintosh 都表示,至少需要 50 年才能部署这项技术,甚至可能更长。 为了采用这一点,我们将需要更快的航天器,因为以目前的技术,可能需要 100 年才能到达镜头。 使用太阳帆或太阳作为引力弹弓,时间可能短至 20 或 40 年。 Macintosh 说,尽管时间线存在不确定性,但有可能看到一些系外行星是否有大陆或海洋,这推动了它们的发展。 两者的存在都是一个强有力的指标,表明遥远的星球上可能存在生命。

“这是发现其他行星上是否存在生命的最后步骤之一,”麦金托什说。 “通过拍摄另一颗行星的照片,你可以看到它,可能会看到绿色的森林样本和海洋的蓝色斑点——这样一来,很难说它没有生命。”