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科学家想把地球变成“放大镜”

可将远处天体的光放大22500倍

2019-08-08 中国科学报 赵熙熙
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  月球外的太空望远镜可以利用地球大气层作为透镜,将远处天体的光放大22500?#19969;?#22270;片来源:JAMES TUTTLE KEANE

  当它在下个10年的某一天完工时,?#20998;?#30452;?#30563;?0米的超大望远镜将成为世界上最大的望远镜。然而一位天文学家如今提出了一个更强大太空望远镜的设想——它将利用地球大气层?#26087;?#20316;为自然透镜收集和聚?#26500;?#32447;,相当于一架直径150米的望远镜。

  美国哥伦比亚大学天文学家David Kipping发现,一架位于月球之外的1米大小的太空望远镜,可以利用环绕在行星边缘的大气层的聚焦能力,将暗淡天体的亮度放大数万?#19969;?/p>

  尽管由于地球大气变化太大,以至于Kipping所说的Terrascope望远镜并不能产生与哈勃太空望远镜相媲美的?#35272;?#22270;像,但它却能发现比现有水平更微弱的天体,包括小型系外行星或威胁地球的小行星。Kipping承认,需要做更多的工作来证明这个想法,但必要的技术业已存在。他表示:“这些都不是在重新搞发明,只是需要更用力地推动。”

  读过?#29616;躃ipping在arXiv上发表的论文的天文学家对此既高兴又谨慎。荷兰莱顿大学Matt Kenworthy表示,他“对科学家投入了这么多精力感到震惊?#20445;?#20294;他希望有更多证据表明这种做法能够奏效。“我想坐下来,做一个更现实的模型。”Kenworthy说。

  加州帕洛阿尔托市?#22266;?#31119;大学Bruce Macintosh补充道:“这是一个有趣的?#22025;?#23454;验,但有很多细节需要仔细考虑。”

  Kipping以在其他行星系统中搜寻卫星而闻名,他在去年成为了发?#20540;?#19968;个系外卫星的有力竞争者。他说Terrascope望远镜的最初想法来自其13年?#25226;?#31350;一种被称为绿光的罕见大气现象——当太阳落到地平线下时,大气折射和散射会一起选择来自太阳的绿光。他意识到,当太阳从地球后面经过,它的光被环绕地球圆周的空气所折射,你便有可能从一个正确的位?#27599;?#21040;一个完整的绿色光环。

  Kipping的灵感还来自太阳?#26087;?#21487;以用作透镜的想法——其引力能够将光线聚焦到一个太空探测器上。这样一种太阳透镜可以将光放大100万到10亿倍,从而将系外行星的表面带进人们的视野。这个想法促使?#20998;?#31354;间局于1993年提出了快速发射巨大天文透镜计划。但该计划从未获得足够支持,因为探测器在太空中的位置必须是日地距离的550倍,而一个航天器要到达这个距离需要一个世纪。

  但Kipping说,Terrascope望远镜可能离我们更近。他计算出,从地球后方的天体反射过来的表面光线会被投射到月球外侧85%月地距离的焦点上。而到达那个焦点的光在穿过低层大气时很可能会遇到云层和大量湍流。但是,如果把探测器移到150万公里以外,这大约相当于4个月地距离,它就能采集到在13.7公里高空穿过平静且无云的平流层的光线。

  Kipping计算出,在这个距离用1米的望远镜观察一整夜,将会看到一个天体的亮度提高到原来的22500?#19969;?#30456;当于使用一架直径150米的望远镜。他说,Terrascope望远镜强大的放大能力意味着,它将擅长探测非常微弱的天体,或识别亮?#30830;?#24120;微小的变化,这使其能够扫描天空,寻找非常小、非常暗的小行星,或者在小型系外行星于明亮恒星前经过时,测量亮度的微小变化。

  为了避免被明亮的地球弄得眼花?#26376;遙?#26395;远镜需要一个被称为日冕仪的遮罩来遮?#33756;ipping?#39038;擔?#20182;还没有考虑?#20581;?#27668;辉”的影响。“气辉”是一种通过发光和其他过程在高层大气中发出的昏暗光线。但他指出,可以用滤镜或数码技术消除这?#22336;?#20809;。Kipping表示,Terrascope望远镜的?#25293;?#21487;以通过一个廉价的烤箱大小的CubeSat任务进行测试。

  Kenworthy说,大气的变化可能会严重降低Terrascope望远镜的图像质量。为了评估这种影响,他表示,“下一步应该用真实的地球大气模型进行光线追踪”。理想情况下,巨型透镜应该将光线聚焦到一个点上。“在现实中,你可能会看到一些斑点。”

  Macintosh对此表示同意。“地球的大气层是一个非常不理想的透镜,所以它会产生非常模糊的图像。”但它作为一个巨大的放大“光斗?#20445;?#21487;能会扮演一个研究非常微弱天体亮度变化的角色。

  至少Kipping让天文学家开始讨论这个想法。Kenworthy说:“我不会仅凭这张纸就发射一颗卫星。但这是很好的第一步。”

打印 责任编辑:侯茜
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