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太陽(yáng)將變成尋找系外行星的“放大鏡”?

時(shí)間:2020-01-09 16:38來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:
來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)近日,美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)航太公司聯(lián)合研究出了利用太陽(yáng)引力透鏡(SGL)探測(cè)系外行星的方法。這一方法引

來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)

近日,美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)航太公司聯(lián)合研究出了利用太陽(yáng)引力透鏡(SGL)探測(cè)系外行星的方法。這一方法引起了不少人的興趣,那么它真的可行嗎?一起來(lái)看看吧~

前段時(shí)間,新聞中熱炒美國(guó)宇航局計(jì)劃用太陽(yáng)作為引力透鏡,對(duì)系外行星成像,事實(shí)上在2017年這個(gè)計(jì)劃就已經(jīng)提出來(lái)了[1]。有人覺(jué)得這是個(gè)不錯(cuò)的新奇想法,也有研究軌道動(dòng)力學(xué)的同事質(zhì)疑這樣的觀測(cè)是不現(xiàn)實(shí)的。但這條新聞卻讓我想起了多年前聽(tīng)過(guò)的一個(gè)同樣新奇的報(bào)告。

廣義相對(duì)論指出,光在引力場(chǎng)中發(fā)生偏折[2]。故而,廣義相對(duì)論的一個(gè)觀測(cè)檢驗(yàn)就是星光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)的偏折。直到現(xiàn)在,天文學(xué)家仍然在測(cè)量太陽(yáng)對(duì)電磁波的偏折,只是不再觀測(cè)恒星的位置,而是通過(guò)甚長(zhǎng)基線干涉觀測(cè)射電源的位置[3]。

光在被天體的引力場(chǎng)偏折在天文中是普遍存在的現(xiàn)象,包括眾所周知的星系或星系團(tuán)造就的強(qiáng)引力透鏡以及行星(或者某種未知天體)等產(chǎn)生的微引力透鏡。太陽(yáng)自然也是可以作為引力透鏡的,前段時(shí)間熱炒的新聞就是美國(guó)宇航局計(jì)劃用太陽(yáng)作為引力透鏡,對(duì)系外行星成像[4]。

圖1。 強(qiáng)引力透鏡。(圖片來(lái)源:ALMA)圖1。 強(qiáng)引力透鏡。(圖片來(lái)源:ALMA)

用太陽(yáng)作為引力透鏡成像看上去是一個(gè)新想法,但用太陽(yáng)作為引力透鏡,我在2011年10月24日聽(tīng)研究SETI(搜索外星文明)的Claudio Maccone博士的報(bào)告時(shí)就了解到這個(gè)想法了。Maccone博士當(dāng)時(shí)的報(bào)告題目是“FOCAL space mission to 550 AU and beyond”,比較吸引我的就是550 AU這個(gè)值。Turyshev等人的文獻(xiàn)里給出的是548 AU。兩個(gè)值比較接近,這是怎么來(lái)的呢?

可以簡(jiǎn)單計(jì)算一下,光在質(zhì)量為M的半徑為r天體的引力場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)角和天體的質(zhì)量M成正比,和天體的半徑r成反比。另外一方面,這個(gè)偏轉(zhuǎn)角度可以近似為天體半徑r和焦距d的比值。因此,對(duì)于給定的天體,以它為透鏡得到的焦距和天體半徑r的平方成正比,和天體質(zhì)量M成反比。通過(guò)仔細(xì)思考和計(jì)算,你會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的事實(shí),如果用太陽(yáng)系中的天體做引力透鏡,太陽(yáng)的焦距最小,就是550 AU左右!

圖2。 將太陽(yáng)作為引力透鏡的探測(cè)衛(wèi)星所在軌道。也就是說(shuō),如果要放一臺(tái)探測(cè)衛(wèi)星,利用太陽(yáng)作為透鏡,探測(cè)遠(yuǎn)方天體,那么這顆衛(wèi)星所在的軌道的半徑應(yīng)該是550 AU,就是圖中所示的位置。(圖片來(lái)源:NASA)圖2。 將太陽(yáng)作為引力透鏡的探測(cè)衛(wèi)星所在軌道。也就是說(shuō),如果要放一臺(tái)探測(cè)衛(wèi)星,利用太陽(yáng)作為透鏡,探測(cè)遠(yuǎn)方天體,那么這顆衛(wèi)星所在的軌道的半徑應(yīng)該是550 AU,就是圖中所示的位置。(圖片來(lái)源:NASA)

Turyshev等人的想法是在距離太陽(yáng)550 AU左右的地方放一顆衛(wèi)星對(duì)系外行星成像。而早先Macccne博士的想法是在距離太陽(yáng)550 AU左右的地方放一個(gè)天線,接收來(lái)自天體的信號(hào),或者發(fā)射信號(hào),把太陽(yáng)作為一個(gè)放大器。如果我們要發(fā)射一艘太空飛船前往距離太陽(yáng)最近的恒星,這可能是不多的讓這艘飛船與我們保持通訊聯(lián)系的方案。在550 AU半徑的軌道,周期大約為一萬(wàn)兩千多年,在這個(gè)軌道上的衛(wèi)星或天線一年運(yùn)動(dòng)10角秒,在一年內(nèi)瞄準(zhǔn)一個(gè)方向是有可能的。

快十年過(guò)去了,我對(duì)Maccone博士的報(bào)告仍然印象深刻。當(dāng)時(shí)的報(bào)告聽(tīng)起來(lái)就像聽(tīng)科幻故事,但Maccone博士告訴我們,這些想法你應(yīng)該寫下來(lái),提交給某些機(jī)構(gòu),批不批,管他的,反正這些想法遲早會(huì)實(shí)現(xiàn)的。如果不寫下來(lái)的話,這些想法就無(wú)法保留下來(lái)。

現(xiàn)在看來(lái),這個(gè)想法已經(jīng)保留下來(lái),還被發(fā)揚(yáng)光大了。

參考文獻(xiàn)

[1] http://www.sci-news.com/astronomy/solar-lensing-telescope-nasa-exoplanets-05313.html

[2] A。 Einstein 1936, Science, 84, 506

[3] S。 S。 Shapiro, et al。 2004, Physical Review Letters, 92, 121101

[4] S。 G。 Turyshev, M。 Shao, V。 T。 Toth 2019, IJMPD, 28, 1950125

作者簡(jiǎn)介

錢磊:國(guó)家天文臺(tái)副研究員。2009年在北京大學(xué)天文學(xué)系獲博士學(xué)位。2009年至今在國(guó)家天文臺(tái)FAST工程工作。目前負(fù)責(zé)FAST譜線數(shù)據(jù)處理工作。翻譯過(guò)專著《黑洞吸積盤》以及若干科普文章。

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