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比哈勃還給力！把太陽當作引力透鏡望遠鏡，可看清系外行星表面




正如愛因斯坦最初用他的廣義相對論預言的那樣，引力會改變時空曲率。正因如此，光在通過引力場時會發生改變，廣義相對論因此而被證實。幾十年間，天文學家一直在利用它產生的引力透鏡(GL)效應——在這種效應中，遠處的光源被前景的巨大物體所聚焦并放大。

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在研究中，兩位理論物理學家聲稱可以用同樣的方式利用太陽來制造太陽引力透鏡（SGL）。他們認為，這個強大的望遠鏡可以提供足夠的光放大，以便對附近的系外行星進行直接成像研究。這可以讓天文學家確認，我們早先派出任務研究的像比鄰星b之類的行星，是否具有成為宜居地的潛力。

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這項研究最近出現在了網上，并且考慮將在期刊《物理評論D》上發表，理論物理學家維克托·托斯和美國宇航局噴氣推進實驗室的物理學家斯拉瓦·G·圖里舍夫負責這項研究，斯拉瓦·G·圖里舍夫是2020年國家原子能機構第三期研究的主要研究者(PI)。這項研究名為“基于太陽引力透鏡任務的系外行星直接多像素成像和光譜學研究”。

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哈勃望遠鏡在其服役期間拍攝到的愛因斯坦環

圖源：NASA/ESA/A.Bolton(CfA)/SLACS Team

除了能夠實現各種深奧的天體物理學研究，通過引力透鏡也拍攝到了迄今為止最為壯觀的宇宙圖片。其中以“愛因斯坦環”最為著稱，它展示了遙遠的光在遇到它和觀測者之間的引力場時會變成什么樣。

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依據觀測者、光源和透鏡的對齊位置不同，光源發出的光可以呈現出弓形、十字形或者其他形狀。雖然任何大質量的天體都可以被用作引力透鏡，但太陽在引力透鏡天文學中具有優勢地位。首先，它是太陽系中質量最大的天體，是最強的可用透鏡。

其次，這個透鏡的焦點區距離太陽550個天文單位，這是未來任務可以實現到達的距離。下一個最大天體（木星）的焦點區距離它超過2400個天文單位。簡而言之，科學家可以制造一個和太陽在一條直線上的太陽引力透鏡，并將它用于天文觀測——比如仔細觀測鄰近的系外行星！

在地外行星特征研究方面，直接成像是一種特別有前途的研究方法，它能使未來系外行星的研究聚焦于之前從未涉足過的地方（相對于系外行星探測）。通過檢測被行星大氣或表面所直接影響的光，天文學家們可以得到其光譜并通過光譜了解這顆行星的大氣構成，甚至能探測其表面植被情況。

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太陽引力透鏡成像示意圖。將太陽的引力場作為透鏡，未來的任務可以捕捉到高分辨率的系外行星和其他天體的圖像。圖源：托斯·V·T.& 圖里舍夫··S·G.

然而，這個方法有點麻煩，因為最近的望遠鏡沒有足夠的分辨率為較小的行星直接成像，這些行星的軌道都更靠近它們的恒星（巖石行星在此發現）。這就是為什么絕大多數能被直接成像的系外行星都是巨大的氣體行星，它們都具有典型的長公轉周期軌道。正如圖里舍夫在郵件告訴《今日宇宙》的那樣：

直接觀測和成像系外行星我們需要借助非常大的望遠鏡。因此，如果我們想要在100光年外的一個像素點內看清我們的地球，我們需要一個口徑達90千米的望遠鏡。

第二大的地面（歐洲特大望遠鏡）和空間（詹姆斯·韋伯望遠鏡）望遠鏡口徑分別是39米和6.5米。被考慮用于取代這些巨型設備的是口徑16米的大型紫外/可見光/紅外探測衛星（LUVIOR)和/或口徑24米的宜居行星影像衛星（HabEx)。

圖里舍夫認為，基于這種趨勢，沒有人能在有生之年近距離看到外星世界的樣子，即便是他們的孩子和孫子也不行。借助太陽引力透鏡，可在本世紀中期實現對鄰近系外行星的觀測（如比鄰星b和c或者圍繞TRAPPIST-1的七顆巖石行星）

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當通過太陽引力透鏡觀測距半人馬座比鄰星4.24光年的地球時，我們的星球可能長這樣。圖源：托斯·V·T.& 圖里舍夫··S·G.

為了驗證太陽引力透鏡的可行性，托斯和圖里舍夫借助原先的研究，為太陽引力透鏡構建了一個波理論描述。最終，他們證實了這一點，甚至模擬出了經卷積和加入高斯噪音（左）及反卷積（右）后，分辨率為1024*1024像素的地球照片（如上圖所示）。

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