DAOrayaki |利用太阳引力来寻找外星生命?

‌ 从理论上讲,距离太阳至少 547 个天文单位并配备日冕仪的望远镜可以利用太阳的引力增强和放大一个可能有人居住的地球大小的世界,使我们能够获得近 100 像素的分辨率。在实践中,这将是一个巨大的挑战。

DAOrayaki |利用太阳引力来寻找外星生命?

‌ 从理论上讲,距离太阳至少 547 个天文单位并配备日冕仪的望远镜可以利用太阳的引力增强和放大一个可能有人居住的地球大小的世界,使我们能够获得近 100 像素的分辨率。在实践中,这将是一个巨大的挑战。

DAOrayaki DAO研究奖金池:

资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:50 USD

研究种类:Space Exploration,Gravity Telescope

原文作者:   Ethan Siegel

创作者:SueT@DAOrayaki.org

审核者:Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org

原文:  Could we use the Sun’s gravity to find alien life?

从理论上讲,距离太阳至少 547 个天文单位并配备日冕仪的望远镜可以利用太阳的引力增强和放大一个可能有人居住的地球大小的世界,使我们能够获得近 100 像素的分辨率。在实践中,这将是一个巨大的挑战。 (图片来源:NASA,Slava Turyshev 等人)

我们可以利用太阳的引力来寻找外星生命吗?

如果有一架望远镜与太阳保持着恰到好处的距离,我们就可以利用太阳的引力来增强和放大一个可能有人居住的星球。

自从人类最早的祖先将目光转向夜空中闪耀的天幕,我们不禁想知道外面的其他世界,以及它们可能隐藏的秘密。我们在宇宙中是孤独的,还是存在其他的生命星球?地球是独一无二的,有一个饱和的生物圈,几乎每个生态位都被占据,还是说这是一种普遍现象?我们的生命在几十亿年的时间里得以维持和发展,这是否很罕见,还是有很多像我们这样的星球?我们是唯一的智慧体、技术先进的物种,还是有其他潜在物种可能与我们交流?

千百年来,这些都是我们只能推测的问题。但在这里,在 21 世纪,我们终于拥有了开始以科学方式回答这些问题的技术。我们已经发现了 5000 多颗系外行星(围绕我们自己的太阳以外的恒星运行的行星)。在 2030 年代,NASA 可能会设计和建造一台望远镜,该望远镜能够确定离我们最近的地球大小的系外行星是否真的有人居住。借助未来的技术,我们甚至可以直接对外星人进行成像

但是最近,有人提出了一个更疯狂的建议:利用太阳的引力对一个可能有人居住的行星进行成像,生成一张高分辨率图像,在 25 到 30 年后向我们展示表面特征。这是一种诱人又惊人的可能性,但它如何与现实相提并论?让我们来看看具体情况。

当引力微透镜事件发生时,来自恒星的背景光会随着介入的质量穿过或接近恒星的视线而被扭曲和放大。介入的重力作用使光和我们的眼睛之间的空间发生弯曲,产生了一个特定的信号,显示出了有关的介入物体的质量和速度。所有的质量都能够通过引力透镜弯曲光线,但要将太阳用作引力透镜,需要在远离太阳的同时阻挡太阳本身发出的光。(图片来源:Jan Skowron/华沙大学天文台)

概念:太阳引力透镜

引力透镜是一种非凡的现象,在一百多年前爱因斯坦的广义相对论中首次被预测到会出现。基本思想是物质和能量的所有形式都可以使时空结构因它们的存在而弯曲和扭曲。你在一个地方聚集的质量和能量越多,空间曲率的扭曲就越严重。当来自背景光源的光穿过那个弯曲的空间时,它会弯曲、扭曲、拉伸到更大的区域并被放大。根据光源、观察者和进行透镜化的质量的对齐方式,可以提高数百、数千甚至更多的增强因子。

我们的太阳是有史以来第一个观察到的引力透镜现象的来源:在日全食期间,来自靠近太阳边缘的背景恒星发出的光被观察到偏离了它的实际位置。虽然这种效应被预测为非常轻微——在太阳光球层的边缘不到 2 角秒(其中每个角秒是 1/3600 度)——但它被观察到并确定与爱因斯坦的预测一致,驳斥牛顿的替代方案。从那时起,引力透镜就成了天文学中一个已知的、有用的现象,最大质量的引力透镜通常会揭示最微弱、最遥远的物体,否则由于我们目前的技术限制,这些物体会变得模糊不清。

1919 年爱丁顿考察的结果最终表明,广义相对论描述了大质量物体周围的星光弯曲,推翻了牛顿的图景。这是爱因斯坦引力理论的首次观测证实。 (图片来源:《伦敦新闻画报》,1919 年)

理论上的可能性

然而,使用太阳作为有效的引力透镜直接成像系外行星的想法需要想象力的巨大飞跃。太阳虽然很大,但并不是一个特别紧凑的物体:它的直径约为 140 万公里(865,000 英里)。与任何大质量物体一样,你可以想象的最完美的几何形状是将物体与其对齐,并使用太阳作为透镜将物体周围的光线“聚焦”到一个点上。这类似于会聚光学透镜的工作原理:光线来自远处的物体,彼此平行,它们都撞击透镜,透镜将光线聚焦到一个点。

对于光学镜头,镜头本身具有曲率半径和焦距等物理特性。根据你观察的物体与镜头的距离,镜头会在等于或大于镜头焦距的距离处聚焦该物体的清晰图像。尽管引力透镜的物理特性非常不同,但概念非常相似。超远光源的形状将延伸成完美对齐的环形,也就是爱因斯坦环,在这里,你必须距离镜头本身至少一个“焦距”才能使光线正确汇聚。

这个物体不是一个单一的环状星系,而是两个彼此距离非常不同的星系:一个附近的红色星系和一个更远的蓝色星系。它们只是在同一条视线上,而背景星系正被前景星系引力透镜化。结果是一个近乎完美的环,如果它形成一个完整的 360 度圆的话,它将被称为爱因斯坦环。它在视觉上令人惊叹的,并展示了一个近乎完美的透镜几何形状所能创造的放大和拉伸类型。(图片来源:欧空局/哈勃和 NASA)

对于具有我们太阳质量的引力透镜,这个焦距转化为离太阳至少 547倍 的距离,比目前的地球还要远。换句话说,如果我们将地球和太阳距离称为天文单位(A.U.),那么我们需要把航天器送到离太阳至少548A.U.的地方,以便获得利用太阳的引力透镜的好处。正如最近在提交给 NASA 的一份提案中计算的那样,一艘航天器可能是:

● 停在这个位置;

● 与太阳和感兴趣的系外行星对齐;

● 并且配备了正确的设备,例如日冕仪、成像相机和足够大的主镜。

可以拍摄距离我们 100 光年以内的地球大小的系外行星,每个像素的分辨率仅有几十公里。对应于约 0.1 亿分之一角秒的分辨率,与目前已设计、计划和正在建造的最好的现代望远镜相比,它的分辨率将提高约 1,000,000 倍。太阳引力望远镜的想法为探索我们的宇宙提供了一种极其强大的可能性,而且不应该被轻视。

地球的图像,左边是约为16k 像素分辨率的单色图像和 100 万像素分辨率的彩色图像,随后是太阳引力望远镜可能观测到的模糊图像(中间),以及(右边)通过正确分析数据可以得到的重建图像。(图片来源:美国国家航空航天局NIAC第二阶段提案,S.G. Turyshev等人,2020)

实际限制

当然,所有伟大的梦想,尽管它们对于激发我们的想象力和激励我们继续创造我们希望看到的未来都很重要,但都必须经过现实检验。该提案的作者声称,一个航天器可以被发射到这个目的地,并可以在短短 25 到 30 年内开始对目标系外行星进行成像。

不幸的是,这远远超出了当前技术的限制。作者要求航天器利用尚不存在的太阳帆技术。

与我们目前的现实相比,在当前轨道上存在太阳系的仅有五个航天器是航海者 1 号、航海者 2 号、先锋 10 号、先锋 11 号和新视野号。在所有这些航天器中,航海者 1 号目前是最远的,也是最快离开太阳系的,然而在它发射后的 45 年里,只穿越了大约四分之一的必要距离。它还利用许多行星飞越来为其提供重力辅助,这也将其抛出太阳系平面,并将其发射到无法再控制甚至无法充分改变的轨道上。

尽管先锋 10 号是第一艘在 1972 年发射的航天器,其轨道可将其带出太阳系,但它在 1998 年被航海者 1 号超越,并在 2023 年被航海者 2 号和 2100 年代后期的新视野号超越。任何其他发射的任务都不会超过航海者 1 号,航海者 1 号目前是最远和移动最快的人造航天器。(图片来源:Phoenix7777/Wikimedia Commons;数据来自 HORIZONS 系统、JPL、NASA)

是的,我们今天可以做类似的事情,但即使我们这样做,航天器也需要将近 200 年才能达到目标。除非我们开发新的推进技术,否则火箭燃料和重力辅助的结合并不能真正让我们在更短的时间内达到所需的距离。

但这不是我们需要考虑的唯一问题或限制。对于我们梦想成像的任何行星目标,太阳会将行星的光聚焦到的“假想线”只有大约 1-2 公里宽。我们必须以如此精确的方式发射航天器,以至于它不会简单地撞到那条线上,而是会留在那条线上,而那条线直到我们离太阳近1000亿公里时才开始。相比之下,从地球发射到冥王星的新视野号宇宙飞船能够以仅约 800 公里的惊人精度达到其目标,而这距离仅为太阳引力望远镜所需距离的 6%。我们必须在十倍于此的旅程中做到近一千倍的好成绩。

2015 年 7 月 14 日,新视野号航天器在经过冥王星后仅15分钟后拍下了这张照片,回望着被太阳照亮的冥王星微弱的新月形。包括多层大气雾霾在内的冰冷特征令人叹为观止。新视野号继续离开太阳系,有朝一日将超越先锋号航天器(但都不是航海者号)。它在短短几分钟内就到达了,距离计算出的理想值只有 500 英里(800 公里);对于太阳引力望远镜来说,这是一个精确的,但不够精确的数量。(图片来源:NASA/JHUAPL/SwRI)

但是,除此之外,我们还必须做一些我们以前从未做过的事情:一旦航天器到达目的地,我们必须让它减速并稳定地保持在那条 1-2 公里宽的线路上。为了成功地对行星进行成像。这意味着要么为航天器装载足够的机载推进剂,使其能够成功地自行减速,要么开发一种技术,使其能够自动导航以找到、引导自身并使其保持在那条假想线上,以便能够进行必要的成像。

为了使这项任务在当前变得可行,需要更多的技术进步。我们需要一个成功的“双日冕仪”,一个能阻挡来自我们太阳的光线,另一个能成功阻挡来自母星的光线,否则母星的光线可能会压倒来自目标行星的光线。我们需要开发远远优于现有技术极限的“指向技术”,因为我们的目标是在这个 1-2 公里宽的圆柱体内移动,以构建一个行星的完整地图。这将需要指向和稳定性技术,该技术比现在的哈勃或 JWST 等望远镜可以实现的性能提高约 300 倍;这是一个超越我们现有能力的显著飞跃。

这张 1990 年的图像是当时全新的哈勃太空望远镜的“第一道光”图像。于没有大气干扰以及哈勃的大孔径,它能够将多个分量解析为一个星体系统,而这是地面望远镜无法解析的。在分辨率方面,适合主镜直径的光波长数量是最重要的因素,但这可以通过引力透镜增强。为了对目标进行原始成像,望远镜的指向必须保持足够精确,以便一个像素的数据不会渗入相邻的像素。(来源:欧空局/哈勃以及 NASA)

该提案旨在通过吸引新技术来克服其中的一些困难,但这些新技术也有其自身的缺点。一方面,他们建议使用一系列小型卫星,而不是单个航天器,每颗卫星都装有约 1 米的望远镜。虽然每颗卫星如果到达正确的目的地,就可以拍摄与行星表面上特定“像素”相对应的图像,但要达到创建百万像素图像的目标,需要一百万个这样的像素,而你不需要准确地将一艘航天器引导到难以击中的目标,你需要发送一个阵列,使难度增加。

另一方面,他们建议在距离太阳约 1000 万公里的范围内弹射这些航天器,为它们提供重力辅助,但这些距离可能会炸毁卫星的许多部件,包括所需的太阳帆;这需要在尚未发生的材料方面取得进展的东西。在近日点附近所需的加速度下,也就是在与帕克太阳探测器最近接近的距离相当,帆板支撑本身将没有足够的材料强度来承受它们所经历的压力。为了使旅程更加可行,所有这些提议的解决方案都伴随着尚未解决的问题本身。

此外,这项任务仅对一个目标可行:我们将获得一颗行星,我们可以选择通过这样的任务对其进行成像。鉴于光学对准需要精确到十亿分之一角秒以内才能使这种成像成为可能,这是一项极其昂贵的、高风险的任务,除非我们已经知道这可能是一颗有人居住的行星,有有趣的特征需要成像,我们才会进行这项任务。当然,我们还没有发现并确认这样的行星。

51 Eri b 于 2014 年被双子星行星成像仪发现。它的质量为 2 个木星,是迄今为止最冷、质量最低的系外行星,它的轨道距离其母星仅 12 个天文单位。要对这个世界表面的生物进行成像,需要一个望远镜,其分辨率是我们目前最佳分辨率的数十亿倍。 (图片来源:Jason Wang(加州理工学院)/Gemini Planet Imager Exoplanet Survey)

我们现实中能期望的最好结果是什么?

我们所能期望的最好的结果就是为诸如此类的先进概念开发新技术,也就是允许更精确地击中一个遥远的目标并减速保持在这样一个目标上的火箭技术,并同时投资于近期的技术,这些技术将揭示真正有人居住的系外行星。虽然今天的望远镜和天文台已经能够做到:

● 测量在其母星前方过境的类海王星(或更大)行星的大气含量;

使用日冕仪阻挡母星的光线,同时直接对距离母星至少几十 A.U. 的大型巨型系外行星成像;

● 并有可能对质量最低、最冷的红矮星周围小至超地球(或小海王星)大小的系外行星的大气层进行定性。

围绕着一颗类似太阳的恒星测量地球大小的行星的可居住性,这一目标在目前这一代的观测站中仍然遥不可及。然而,NASA 继 Nancy Grace Roman 望远镜之后的下一个旗舰天体物理学任务——一个比 JWST 更大并配备下一代日冕仪的超级哈勃望远镜——可能最快会在 20 世纪 30 年代末发现我们第一颗真正有人居住的、地球大小的系外行星。

探测真正的类地行星,即位于其恒星宜居带的地球大小的行星,包括红矮星和更多类似太阳的恒星,并确定其大气层的特征,这一前景是我们可以实现的。借助下一代日冕仪,大型紫外-光学-红外线任务可以找到数十个甚至数百个地球大小的世界进行测量。 (图片来源:美国国家科学院/Astro 2020 十年调查)

从可居住性的角度来看,最有趣的行星将是一个生物圈“饱和”的星球,就像地球一样。我们不需要对系外行星进行详细的成像来探测这种变化;简单地测量一个像素的光线以及它如何随时间变化可以揭示:

● 云层是否会随着行星的旋转而变化;

● 是否有海洋、冰盖和大陆;

● 是否有导致行星颜色变化的季节,例如从棕色到绿色再到棕色;

● 大气中的气体比例是否会随着时间而变化,就像地球上的二氧化碳等气体一样;

● 以及该行星的大气层中是否存在复杂的分子生物特征。

但是,一旦我们有了一颗有人居住的系外行星的初步迹象,我们就会想采取下一步行动,并尽可能详细地准确了解它的样子。使用太阳引力望远镜的想法为创建系外行星表面的高分辨率图像提供了最现实的可能性,而无需将太空探测器物理地发送到数光年以外的另一个行星系统。然而,我们还远远不能在两到三十年的时间尺度上执行这样的任务。这是一个需要我们投资的多世纪项目,但这并不意味着它不值得。有时,实现长期目标最重要的一步就是弄清楚要为之奋斗的目标是什么。

《Starts With A Bang》 Ethan Siegel 博士撰写,他是《Beyond The Galaxy》 《Treknology》的作者。


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