我们如何才能捕捉到类似地球的系外行星的照片？用太阳!
图解：艺术家绘制的关于比邻星b的表面的概念图，图源：ESO/M. Kornmesser
目前最大的望远镜也无法捕捉到离我们最近的已知类地系外行星——比邻星b。如果人类想获得一个这样遥远世界的照片，我们需要思考得更远。
如果我们想获得这样的照片，其中一种方法是利用太阳。太阳的引力使它周围的空间弯曲，而这种弯曲能够使光的路径发生偏转。在适当的距离下，太阳可以被 当作为一个巨大的放大镜，提供拍摄系外行星所需的分辨力。
那么，该如何才能将望远镜送到令人难以置信的遥远地方呢？一个天文学家小组建议使用一个巨大的光帆来推动航天器到达那里。
天文学家们正在寻找一颗围绕着类似太阳的类地行星，其距离恰好可以让液态水在其表面存在。但科学家们至今还没有找到那颗行星，尽管人类已经发现了超过4000颗已知的系外行星，令人印象深刻。
绝大多数系外行星的搜寻工作都依赖于对非常小、非常遥远的物体的观测。通常，天文学家拥有的数据对象可能比一个像素还要小，他们观察亮度变化或光的光谱变化来确定系外行星的存在。
在少数罕见的情况下，天文学家已经能够拍到系外行星的照片，但那些都是非常特殊的情况，例如附近的、绝对巨大的行星。
即使我们找到了一个地球2.0，我们也无法拍下它的照片。举个例子，最大的光学望远镜即将是智利的Vera C. Rubin天文台，其孔径为8.4米（27.6英尺）。那是一个真正的巨型望远镜。但是，如果我们把它对准比邻星b--最近的已知系外行星，距离大约4光年。在这个距离上，它的分辨能力将达到120万英里（190万公里），大约是地球宽度的150倍。
其他即将投入使用的望远镜，如智利的极大型望远镜和夏威夷的三十米望远镜，将无法在这个数字上取得多大的突破。我们所有计划中的天文台，包括空间和地面的，在未来的几十年里，将永远无法看到外星的任何东西，而只是一个光的像素。
图解：艺术家绘制的太阳帆概念图。图源：美国宇航局
弯曲的重力
假设我们真的确认了地球2.0的存在；我们找到了一个可居住的世界，并且通过光谱学，我们确定生命可能已经找到了一个立足点。我们怎么可能拍下它的照片呢？
答案就在于引力。根据爱因斯坦的广义相对论，物质和能量会弯曲它们周围的时空。光会被迫跟随这种空间的弯曲；无论空间弯曲到哪里，光都必须跟随。
英国天体物理学家阿瑟·爱丁顿正是利用这种光的偏转来进行广义相对论的第一次实验测试，他研究了日食期间光线擦过太阳表面的星星的偏转。由于空间的弯曲，恒星出现在天空中错误的地方，其距离完全由爱因斯坦的方程所预测。
这样的作用就像一个透镜。而透镜不仅仅用具聚焦光线；它们还能放大光线。如果你把太阳想象成一个巨大的放大镜，你所要做的就是把一个航天器放在这个透镜的焦点处，以利用其放大能力。
这是一个多大的力量呢？太阳的引力可以像一个具有几千亿放大力的透镜。一个利用这一点的航天器，在比邻星系上进行训练，将具有几英里的分辨力。这将使它能够绘制出大陆、海洋、冰盖，甚至可能是生物群落。这将是了解我们周围宇宙的一个非常强大的窗口。
但也存在一个问题。这个焦点，也就是我们需要放置望远镜以利用太阳引力透镜的位置，距离大约550个天文单位（AU）。一个AU是地球和太阳之间的平均距离--大约9300万英里（1.5亿公里），所以这意味着焦点将需要在550个地球-太阳距离之外。这几乎是冥王星的20倍之远。旅行者1号，比其他任何航天器离地球都要远，目前离太阳大约40AU。
那么，我们如何将一艘航天器送到如此遥远的目的地呢？一个天文学家小组提出了一个解决方案：使用光帆。
在他们7月份发布在预印本服务器arXiv上的一篇论文中，研究人员建议使用一个不超过220磅（100公斤）的航天器，附着在一个巨大的光帆上，一个模仿船帆的巨大薄片。光帆将利用来自太阳的光来推动航天器，可能每年行驶约20AU。这将使望远镜--它不需要那么令人印象深刻，因为太阳将做大部分的工作--在不到四分之一世纪内到达太阳焦点。考虑到设计、建造和发射像韦伯太空望远镜这样的仪器需要多长时间，这并不是一个很大的问题。
尽管如此，光帆还没有被部署到太空旅行中。这需要在材料科学和工程方面有一个巨大的飞跃，才能够设计出一个真正能够推动航天器的轻质帆。因此，未来的系外行星成像器可能是下一代天文学家的事，但至少它不是科幻小说。
BY: Paul Sutte
FY:秋白
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