強大得令人恐懼:太陽引力場可以讓我們看見「三體」行星上的細節

太陽系里有一台恐怖的超級望遠鏡,其強大的威力,足以讓我們看見「三體」行星表面的細節——只要我們懂得如何使用。

在距離太陽650個天文單位的焦點上,用太陽引力透鏡望遠鏡看半人馬座比鄰星位置上的地球,理論上可以得到左圖那樣的清晰度。Toth H. & Turyshev, S.G.

廣義相對論最核心的預言之一,是大質量物體能夠偏轉從其附近經過的光線。這意味著較近天體的引力場能夠扮演「鏡頭」的角色,「聚焦」來自遙遠天體的光。

在條件恰到好處的前提下,引力透鏡能夠成為一種自然望遠鏡,增亮放大遙遠天體的影像。天文學家常用這一招來觀測宇宙中的遙遠星系,但它實際上對于觀察那些較近的天體也適用。

近日一些天文學家設想是否可以把太陽的引力場當作「鏡頭」來使用,觀察那些較近的系外行星。并對這台假想望遠鏡的光學特性進行了分析。

文章認為,來自系外行星的光能夠被太陽的引力場聚集到特定的焦點上。這個焦點位于距太陽約550至850個天文單位的太空中。具體在哪里則取決于光線從距離太陽多遠的地方經過。

理論上我們可以在焦點附近部署一台或多台太空望遠鏡,這樣就得到了一台巨大的太陽引力透鏡望遠鏡。這樣一台望遠鏡在觀測100光年外的目標時,分辨率可以達到10平方千米,足以看清系外行星表面的細節。

建設這樣一台巨大的望遠鏡并不容易,但是沒有技術難點。不容易指的是人類當下走得最遠的探測器——「旅行者1號」現在也只飛到了距離太陽約160個天文單位的地方。沒有難點指的則是它無需多麼神奇的技術,也無需人們對物理學的認識有大的飛躍。最不容易的部分可能集中在工程學領域。

不過如何處理和合成收集到的數據會是一大挑戰。和射電望遠鏡一樣,太陽引力透鏡望遠鏡并不會直接成像,而是需要大量的后期。而這需要我們對太陽引力場偏轉光線的方式有非常深入和細致的了解。

光線穿越鏡片后的聚焦會導致光波之間相互干涉,發生所謂的衍射。衍射會導致影像模糊和扭曲。所有望遠鏡都有衍射極限,引力透鏡望遠鏡也一樣。模擬結果顯示,太陽引力透鏡望遠鏡理論上能夠感知半人馬座比鄰星b表面發出的一束功率為1瓦的激光。

比鄰星b圍繞恒星半人馬座比鄰星運行,距離地球4光年,是距離我們最近的系外行星。而半人馬座比鄰星就是小說《三體》中「三體星系」的原型——半人馬座阿爾法星三星系統的成員之一。它同時也是距離太陽最近的恒星。

太陽引力透鏡望遠鏡的衍射效應。Engeli & Saha

總體而言,太陽引力透鏡望遠鏡能夠看清比鄰星b表面寬度在10千米至100千米之間的物體。實際的分辨率則還取決于在哪個波段上進行觀測。

除了觀測系外行星,太陽引力透鏡望遠鏡還能夠對那些受衍射極限限制而無法看清表面特征的系外小型天體,比如中子星進行研究。雖然中子星很小,但是理論上它能夠感知中子星表面不同部分的溫度差異。

相關論文發表在九月的《英國皇家天文學會月刊》上。


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