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）
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）
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。
