分清谁是宇宙怪球

《大科技》2000年第七期

乔阿光编译

外星人即将被发现?

　　地球是否是宇宙中惟一有生命的星球？这个问题始终困扰着人类，无数科学家为找出答案费尽心血。且不谈能否找到具有和地球自然条件相似的星球，就是找到和太阳系相似的恒星系都非易事。在1991年观察到第一个类太阳系行星以前(1991年科学家们第一次利用阿雷西博射电望远镜发现了第一个来自于太阳系外的行星系统)，寻找这类星球不仅存在着技术上的困难，还有可能遭人嘲笑。因为天文学家只信眼见为实，在他们自己用仪器观察到确有类太阳系的行星存在之前，他们是不会像科幻作家那样口若悬河，去作任何哗众取宠的预测的。

    1995年10月，两位瑞士天文学家新发现了一颗围绕飞马座51运转的新行星，紧接着，1995年12月30日和1996年1月两位美国天文学家又先后发现了绕室女座70运转的和绕大熊座47运转的两颗新行星。发现如此众多的类太阳系行星，才引起公众的关注，而且得到了放在头条位置进行报道的待遇，标题大多耸人听闻，科学家们声称：“外星人即将被发现。”

    地球是不是宇宙怪球

　　自那以后，不断有新的类太阳系被发现。现在天文学家们承认至少有18个类太阳系。但怀疑派是不会轻易退出阵地的，有类太阳系行星并不等于有地外生命，更何况目前所发现的类太阳系行星和地球及其近邻大大不同。

    目前发现的类太阳系行星和太阳系行星有两大不同，第一，类太阳系行星体积大，大多数和木星体积相似。木星直径大约比地球大11倍。这样巨大的体积使许多天文学家认为它们根本不是行星，而是棕色的红矮星。不过，虽然它们和地球、火星这样的行星相差很大，但和恒星比起来还是很小的。而且它们缺少恒星那种把自身的原子自行压缩产生聚合反应的重力。第二，它们的轨道形状与太阳系行星运转的轨道不同，太阳系行星的轨道大体上是圆形的。而类太阳系的行星围绕它们的太阳运转时，是摇摇摆摆的。这种轨道形状可能和它们巨大的体积有关。当它们和自己的“太阳”相互接近时，产生的引力大得能把它们拖出原来的运转轨道。另一种可能性是在它们形成的早期，类太阳系行星的轨道受到已消逝的恒星的影响。

　　因此，有人认为，假如宇宙中大多数行星和类太阳系行星相似，而不是与我们的太阳系相似，那我们的太阳系就是宇宙中最怪异的行星系，地球就是宇宙中最怪异的行星了。事实是否真的如此呢？要解开真相首先就要找到和地球大小相当的类太阳系行星。但星球越小，反射它的“太阳的光越弱，因而就需要更好的观察仪器才能找到和地球大小相当的类太阳系行星。能做到这点的是当年美国航空航天局曾决定在2005年发射的太空天文光学干涉仪。

　 太空天文光学干涉仪

天文望远镜的设计方案五花八门，工作原理都是一样的。光学部分由棱镜或平面镜组成，把入射光聚焦到观察镜的眼睛或传感器里，主镜管越大效果越好，天文望远镜越大能收集到的光越多，越有可能观察到微弱的光，形成较清晰的图象。

    但大型天文望远镜很重。南加利福尼亚的palomar天文望远镜的主镜直径4.6米，重量超过100吨。哈勃太空望远镜的主镜直径为它的一半，质量约11吨。为使天文望远镜有足够的分辨率来回答关于类太阳系行星的问题，并发现与地球大小差不多的这类行星，需建造与一般的天文望远镜不同的天文望远镜。为了不受地球大气的干扰，最好把天文望远镜放在太空中。但这样一来，天文望远镜就不可能太大，否则制作技术和发射都有困难。于是美国航空航天局科学家们设计了一种太空天文光学干涉仪，用几个较小的天文望远镜组成干涉图像来提高分辨率。一组跨度为9.1米的天文望远镜产生四倍于哈勃的清晰度，而重量只有它的五分之一。 

    太空天文光学干涉仪的原理和功能

　　光具有和大海波涛一样的特性，即有波动性。当两列光波相遇时，如果两列光波的波峰又恰好重叠，那么，光的强度就会大大加强。 反之，如一列波的波峰恰与另一列波的波谷重叠，则光的强度就会大大减弱。太空干涉仪能看到遥远的恒星的位置的周期性变化——这是围绕着它运转的像地球般大小的行星的影响结果。因而，可据此推测出这类难以看见的小行星的存在和它们的大小等情况。利用波峰和波谷重叠，有一种隔离模式，可把过亮的恒星的光减弱，以便观测到它附近的亮度微弱的行星。

　　此外还可利用太空天文光学干涉仪测量整个银河系中恒星的位置，从围绕年轻恒星的宇宙尘埃盘中发现正在形成的行星。最近哈勃太空望远镜就拍到了一张这样的图。但目前在这张图上看不到行星，只看到潜在的行星构成区的盘状结构。天文学家认为这里可能会有行星形成。如果用太空干涉仪来观察这一地区，也许能从这些盘状结构中找到行星。

    太空天文光学干涉仪的技术结构和飞行路线

太空天文光学干涉仪的飞行系统由干涉仪系统和飞船系统组成。飞船系统提供飞行操作功能，它由自身的结构、动力子系统、姿态控制、推进器、通信和热控制系统构成。仪器系统由光学部分、调节器、传感器和科学观察所需的计算机等构成，用来获取、追踪、测量星光在太空天文光学干涉仪上形成的干涉条纹。成功的研制太空天文光学干涉仪要满足一个巨大的技术要求，轻巧而灵活的光学元器件要控制和稳定在毫微米的水平上；间距超过几米的光学元器件要控制和稳定在亚毫微米水平上；要把几个天文望远镜组合成一个完整的整体，克服干涉仪整体操作的复杂性，解决在轨道上进行试验的困难和操作的自动化。现在这三大难题己经解决，只等发射。

太空天文光学干涉仪将尾随着地球沿着地球绕日运行的轨道飞行。它定于2005年6月在卡纳维拉尔角空军基地的东部试验区发射，进入轨道。在这一轨道上它每年以将近0.1埃的速率缓慢地偏离地球。5年后达到最大通讯距离约为9500万公里。在这个轨道上，它将受到太阳连续的照射，避开在地球轨道上会发生的日食，待它在这一轨道上安顿下来后，它的两个扇面和遮阳罩将打开，飞行系统将会检测收集到的数据，精确确定实际轨道，几天后，它会排除污染物，光学镜盖将打开，接下来的几个月要对干涉仪进行校准和对直，从校准期末到2010年，太空天文光学干涉仪将进行连续的科学观察。

     太空天文光学干涉仪是美国航空航天局的宇宙起源计划的一部分。早在1996年以前美国航空航天局就制定了在世纪之交发射太空天文光学干涉仪的计划。最近美国航空航天局对它的太空天文光学干涉仪计划做出了最后的决定，将于2002年发射一个小型的太空天文光学干涉仪，这将是第一个使用光学干涉仪作为主要仪器的太空计划。按它的建造者的设想，它由两组四个直径为0.3米左右的天文望远镜组成。它能接收到的波长由上述天文望远镜能接收到的波长组合而成。这些组合波长将相互“干涉”或混合在一起，提供与直径为10米长的天文望远镜一样的观察效果，

    太空天文光学干涉仪将使天文学家能检测到大小在海王星和木星之间的行星，这就能为找到附近的类太阳系行星提供第一手实际数据。更重要的是它有能力检测到距地球30光年以上大小如同地球的行星，这将告诉我们地球是否是太空怪球。

　　编译自[美]《大众机械》1999年第5期和NASA的宇宙起源计划网站

　　后记：这个很好的计划目前因资金链断裂而搁浅。