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花瓣状的星冕仪助力探索类地行星

今天小编为大家带来了一篇《花瓣状的星冕仪助力探索类地行星》的文章,感兴趣的读者朋友可以跟着小编一起看一看。

宇宙中充满了行星。我希望人类在十年内建造一个宇宙望远镜,用来发现围绕恒星的类地行星,并且弄清楚它是否能孕育生命。在位于普林斯顿的美国宇航局喷气动力实验室里,我和我的同事们正在致力于开发一项技术,在不久的将来,能够达到那个目的。

如今的天文学家相信银河系的每颗恒星都至少有一个行星,并且推测这些恒星中多达五分之一拥有着可能孕育生命的类地行星,但是我们还没有发现任何一个。我们只是间接地探测到了类地行星的存在。这张图片是美国国家航空航天局著名的暗淡蓝点的图像。它是1990年由旅行者一号摄制的,当它即将离开太阳系时,研究人员将它转向,在六十亿千米之外拍摄了这张地球的照片。

我想要给围绕另外一个恒星的类地行星照相,可是我们为什么还没有那样做呢?为什么很难做到呢?好吧,想了解这个问题的话,想像一下我们带着哈勃宇宙望远镜来到火星轨道之外,并且掉转方向。我们会得到一张稍微有些模糊的地球照片,因为在火星之外的轨道上,这架望远镜相对来说很小。现在让我们把它移到十倍远的地方。现在我们在天王星的轨道上。地球变小了,照片细节更少,分辨率更低,但还是能看到小小的月亮。现在我们再往外走十倍远。

我们现在在太阳系的边界,柯伊伯带之外。现在完全不能分辨清楚地球了。地球变成了卡尔·萨根所说的那个黯淡蓝点。现在让我们再移到又一个十倍远的距离。这时我们在奥尔特云以外,在太阳系以外了,太阳移动到视野之内,占据了原本行星的位置。再一次,后退十倍远。现在我们在半人马座α星,这是靠我们最近的恒星之一,行星完全看不见了,我们所看见的是一个恒星的巨大光柱,那比行星耀眼一百亿倍,行星应该在那个小小的红色圈子里。那就是我们想看见的东西,所以给系外行星拍照非常艰难。从恒星而来的光是衍射的,衍射的光线在望远镜内分散,形成了很明亮的图像,冲淡了行星的光亮。那样的话,要看到行星,我们必须处理一下这些光线。我们必须消除它们。我有很多同事们正在致力于开发神奇的技术,以消除干扰的光线,但今天我想要告诉你们一个我认为是最酷的技术,最可能在十年之内帮助我们发现另一个“地球”的技术。

这项技术最先由莱曼·斯皮策提议,他是现代天文望远镜之父,1962年的一次日食给了他这个灵感。你们已经看到,这是日食。月亮已经移到太阳的前面,它挡住了大部分的光,所以我们能看到微弱的围绕太阳的日冕。如果我把我的大拇指竖起来,挡住直射进我眼中的聚光灯,也会是同样的效果,而且我能看见坐在最后一排的观众。怎么一回事呢?嗯,月亮在地球上投下了一个阴影。我们在那个阴影里放了一座望远镜或者一架照相机,再透过这些仪器看太阳,大部分的光被挡住了,这使我们能看到日冕中微弱的、精巧的结构。斯皮策建议的是,我们在宇宙里这样做。

我们要做一个大挡板,把它送进宇宙空间,放在要观察的恒星前方,把大部分光都挡住,让望远镜在这片人造的阴影里飞行,砰!我们就看见了行星。实际情况也是差不多的道理。现在新的问题产生了,事实上我们有了大挡板,也看不到什么行星,很不幸地它并不怎么起作用,光波在挡板周围发生了衍射,跟在望远镜里是一样的情况。就像溪流中的水能绕过石头,光毁掉了人造的阴影。这个阴影很糟糕,我们在里面看不见行星。实际上,斯皮策知道解决方案。如果我们能把边缘弄成羽毛状,把边缘变柔软,我们就能控制衍射,那么就能看到行星。

在过去十年中,我们找到了最佳的解决方案。它看起来就像我前面描述的那个样子。我们叫它做我们的花瓣星冕仪(starshade,又译“遮星板”“星翳”)。如果我们把这些“花瓣”的边缘做得刚好正确,控制它们的形状,我们就可以控制衍射。现在我们有了巨大的人造阴影,大约比以前的暗淡了100亿倍。接下来,我们能看见行星的光柱显露出来,就像那个样子。当然,挡板一定要比我的拇指大。星冕仪的尺寸大约有半个足球场那么大,而且它必须飞到望远镜5万千米以外,望远镜必须停在它的阴影中间,我们就可以看到那些行星了。这件事听起来艰巨,但卓越的工程师们,喷气动力实验室里我的同事们构思了一个精妙的设计,完成了这个任务,它看起来就像这个样子。它一开始围绕着一个枢纽,然后从望远镜分离,“花瓣”缓缓撑开,全部打开,望远镜旋转过来,然后你会看到它翻转并且飞到离望远镜5万千米以外的地方。它会移动到恒星前方,营造一个神奇的阴影。妙极了,我们观察到了围绕这颗恒星的行星。(观众鼓掌)谢谢你们。

那不是科幻小说。我们已经为此工作了五六年。去年夏天,我们在加州的诺斯洛浦·格鲁曼公司做了一个很酷的试验。这是一个“亚尺寸”的星冕仪,有四个“花瓣”,只有你刚刚看到的那台的一半大。你会看见“花瓣”撑开。这四个“花瓣”由四个在喷气动力实验室做暑期实习的大学生建造。现在你看到它们完全展开,这些“花瓣”必须旋转到位。在每次实验中,这些“花瓣”的底部必须每次转到同一个地方,误差不能超过0.1毫米。我们试验了十六次,十六次它们都精确地转到了同一个位置,而且误差没有超过0.1毫米。

这必须控制得非常精确,但如果我们能做到,如果我们能完成这个技术,如果我们能把它带入宇宙,你也许可以看见像这样的一些东西。这是一张比邻星(距离我们最近的恒星)的图片,是用哈勃空间望远镜摄制的。如果我们能带着类似的望远镜,也许稍微大一些,把它送进宇宙,在它前面放置一个遮光体,我们有可能看到像这样的东西——太阳系的“家庭合照”——但不是我们的,我们希望通过遮光体看到的会是另外一个恒星-行星系统,通过这样一个星冕仪。

你能看到“木星”,你能看到“土星”,“天王星”,“海王星”,并且在正中间这儿,挨着恒星被遮挡后的余光,那个黯淡蓝点就是“地球”。我们想看到那样的场景,看看那里是否有水,氧气,臭氧,这些东西可以告诉我们这个行星能否孕育生命。我觉得这是最酷的有可能实现的科学。这就是我专注于此的原因,因为我认为这会改变世界。当我们看见那个行星的时候,一切都会被改变。

作者:

FY: Yuanqing Edberg

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