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地球放大了(地球放大镜放大器应用)

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-12-13 07:16:45
导读

大数据文摘出品来源:Sciencemag编译:李世林、刘俊寰读过《三体》的小伙伴们应该都记得这经典的一段——红岸基地的叶文洁灵光一闪,把太阳作为信号放大器,向广袤宇宙发出人类的啼鸣,暴露地球的坐标,从而拉开了整个三体故事的序幕。然而,并不是只有小说才会把目光投向自然星体,有科学家就试图把地球当成一个巨型放大镜,造出史上最大的太空望远镜。对于太空望远镜来说,口径大小直接影响着空间分辨率,空间分辨率越

大数据文摘出品

来源:Sciencemag

编译:李世林、刘俊寰

读过《三体》的小伙伴们应该都记得这经典的一段——红岸基地的叶文洁灵光一闪,把太阳作为信号放大器,向广袤宇宙发出人类的啼鸣,暴露地球的坐标,从而拉开了整个三体故事的序幕。

然而,并不是只有小说才会把目光投向自然星体,有科学家就试图把地球当成一个巨型放大镜,造出史上最大的太空望远镜。

对于太空望远镜来说,口径大小直接影响着空间分辨率,空间分辨率越高,望远镜对目标物体细节分辨的能力就越强,得到的信息也就越多。

比如欧洲的超大望远镜ELT,它在提出之际就备受关注,最主要的原因还是在于其近40米直径的主镜结构,让ELT成为当之无愧的世界上最大的望远镜。

但有天文学家认为还存在一种更大的太空望远镜,直径可达150米。它由哥伦比亚大学的天文学家David Kipping提出,主要利用地球大气层本身作为自然透镜来收集和聚焦光线,能够将暗物体的亮度放大数万倍。

被绿闪光启发的地球镜构想

David Kipping以在其他行星系统中搜索卫星而闻名,去年他发现了一颗系外卫星,这极有可能是第一颗被发现并被确认的系外卫星。他说,地球镜(Terrascope)的想法起源于13年前,当时他在研究一种叫做绿闪光的罕见大气现象,当太阳落到地平线以下,在折射和散射共同作用下能够瞬间从太阳光中选择出绿光。他认为,当太阳从地球后面经过时,光会被行星周围的空气环折射,如果在太空中的观测位置合适,将有机会看到一个完整的绿色环。

金字塔顶上的绿闪光via澳大利亚天文摄影家Colin Legg

Kipping的灵感还来自太阳本身可以用作透镜的想法。地球的重力能将光线聚焦到一个太空探测器上,这种太阳透镜可以将光放大一百万到十亿倍,我们将有可能看到系外行星的表面。这一想法催生了1993年欧洲航天局提出的“FOCAL”计划(Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens mission),但它从未获得任何关注,因为探测器的位置必须是地球到太阳距离的550倍,比海王星要远将近20倍,这一距离需要一个世纪才能让航天器到达。

但Kipping说,地球镜可能离我们更近。他计算出,从地球正后方物体发出的表面掠光会偏斜到地月距离85%处的焦点上,到达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,将探测器移到150万公里以外的地方,也就是比月球远四倍的焦点处,它将对经过海拔13.7公里的、更平静的无云平流层的光进行采样。

他计算出,在这个距离上用1米太空望远镜观察一整夜,物体的亮度会提高到原来的22500倍,相当于使用了150米的望远镜。Kipping说,地球镜强大的放大能力意味着,它能探测到非常模糊的物体,或识别出亮度非常微小的变化,这使它能够扫描天空以寻找非常小、非常暗的小行星,或者在小型系外行星经过明亮恒星前时,测量亮度的微小变化。

为了避免被明亮的地球圆盘弄得眼花缭乱,望远镜需要一个被称为日冕仪的遮罩来遮挡。Kipping表示,目前他还没有考虑“气辉”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)。他指出,利用物体在不断变化之下保持稳定这一事实,可以用滤镜或数码技术消除这种发光。他说,地球镜的概念可以通过一个便宜的烤箱大小的CubeSat任务进行测试。

必要技术已经存在,还需要考量细节

正如David Kipping所说,对于地球镜而言,大气层的变化使其无法产生与哈勃望远镜相媲美的清晰图像,但它能够发现更暗的物体,包括小型系外行星或威胁地球的小行星。Kipping承认需要更多的工作来证明这个想法,但是必要的技术已经存在。“这不是在重新发明车轮,而是试图更用力地去推动它,”他说道。

天文学家们读过Kipping在arXiv上发表的论文之后,表示又兴奋又担忧。荷兰莱顿大学(Leiden University)的Matt Kenworthy表示,他“为自己投入的工作量感到震惊”,但他希望有更多证据来证明这种做法的可行性。“我想尽力去构建一个更为现实的模型,”他说。来自斯坦福大学的Bruce Macintosh补充道:“这是一个有趣的思维实验,但还有很多细节需要仔细考虑。”

“这是很好的第一步”

Kenworthy说,大气的变化可能会严重降低地球镜的图像质量。为了评估影响,他说,“下一步是用真实的地球大气模型进行射线追踪”。理想情况下,巨型透镜应该将光线聚焦到一个点上。“实际情况中,你可能会看到一些斑点”。

Macintosh表示同意,“地球大气层是一个非常不理想的透镜,所以会产生非常模糊的图像,”他说。但它能够利用其巨型放大“光桶”的优势来研究微弱物体亮度的变化情况。

至少,Kipping让天文学家们开始讨论这个想法。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。”


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