激进的新太空天文台会用太阳引力上透镜系外地球

撰稿人 Bruce Dorminey

Apr 22, 2023,04:04am EDT

SCIENCE

我报道航空航天、天文学并主持宇宙争议播客。

1998年2月26日在一个日全食期间围绕月球太阳可见的日冕，瓜德罗普岛。(Photo by Space Frontiers/Hulton Archive/Getty Images)GETTY IMAGES

在对天体生物学一种激进的新方法中，美国宇航局喷气推进实验室天体物理学家斯拉瓦图里雪夫及其同事一直在磨练一种巧妙的会用爱因斯坦的相对论做出系外地球的详细观测的新使命概念的方法。

吸引到爱因斯坦的其中大质量天体弯曲光、空间和时间的相对论，该使命将用我们自己的恒星的巨大引力作为一个太阳引力透镜（SGL）来放大一颗给定的系外地球的光学和红外波长。

这个想法潜在的涉及发送出一支太阳帆航天器舰队到大约650个天文单位（地球 - 太阳距离）------某些比我们的矮行星冥王星更远约16倍------来做出这个观测。一旦到达空间站，在仔细的对齐后，航天器会用我们自己的恒星来引力上透镜位于我们太阳系100光年内的系外地球。

想法是太阳引力透镜天文台将能够以仅15至25公里跨度的分辨率特征化行星的质量、轨道、大气层和表面拓扑。它还将提供至于是否这可让恒星宿主生命高度确定性。

最终的航天器架构现在被开发，但作为美国宇航局的创新先进概念（NIAC）计划的一部分获得了值200万美元的初步研究资金。该团队现在正以6月推出非营利太阳引力透镜基金会来公开该项目。

至于使命本身，第一个障碍只是到达那里。但图里雪夫说，这样一个天文台可以在下一个十年发射，通过用太阳帆和离子推进可以在25年内到达空间站。

太阳引力透镜新任基金会执行董事图里雪夫经由电子邮件告诉我，该概念的创新先进概念第三阶段努力已于2022年9月已经成功完成。他说，我们已经证明了太阳引力透镜是我们人类来直接的看系外行星的表面来确认生命的唯一手段。

在太阳引力透镜的焦点区域操作的一个米级光学望远镜有一个适度的日冕仪（一种有效的模拟一个日食的光学设备），超过650个天文单位可以探测到一颗系外行星的可居住性迹象。这会包括观察季节变化、对地表拓扑成像、获得大气层的光谱和建模气候。更近的目标会在更短的时间内产生更高分辨率的图像。

因为我们自己的太阳由于我们自己的木星和土星的引力影响有点摇摆，对我们自己恒星的运动该使命会定期的用离子推进器来调整。

图里雪夫说，用这样一个天然透镜从一个遥远系外行星的圆盘接收的光会出现被太阳的引力透镜解构。因此，太阳的背景恒星和系外行星的自然透镜会围绕太阳创造一个叫爱因斯坦环的光环。他说，通过将望远镜移动到至少650个天文单位，天文学家能被确保我们太阳太阳自己的盘和爱因斯坦环之间的间隔增加。

图里雪夫说，这种间隔变得足够大来使用一个日冕仪阻挡来自我们太阳的光可能的。他说，鉴于距离这里100光年的地球一样的行星， 太阳引力透镜投射一个跨度约为1.3公里的图像。

图里雪夫说，移动航天器在太阳引力透镜投射的1.3公里内成像，然后测量爱因斯坦环变化的亮度相当于一次“扫描”这个图像一个像素。

他说，对一颗在这么大距离的地球一样行星，在一年的过程扫描多达100 x 100像素或更多像素是可能的。图里雪夫说，对一颗离地球更近的行星，例如在半人马座阿尔法星（4.3光年）的距离上，甚至一个百万像素的图像是可能的，。

从那里，这是一个成像和数据处理的问题。

图里雪夫说，一旦来自大多数图像像素的数据被收集，我能开始处理数据来恢复一个目标的未模糊图像。他说，依靠这颗行星的大小及它与我们的距离，整个图像恢复的过程可能需要从几个月到一年多一点的时间。

艺术家的开普勒-186f的描画，这是第一颗被验证的地球大小的行星，在宜居带中环绕一颗遥远的恒星。加州大学洛杉矶分校科学家发起的一个项目将招募公众来识别我们宇宙其他地方可能存在的智能生命的迹象。 NASA AMES/JPL-CALTECH/T. PYLE

至于使命将如何与地球沟通？

图里雪夫说，地球和航天器在650个天文单位之间的单路光旅行时间是3.75天。光通信将使取得每秒兆比特的数据速率成为可能，他说，足以让使命发回原始观测数据。

至于该倡议的最大挑战呢？

图里雪夫说，从美国宇航局创新先进概念环境到现实世界的过渡。他说，我们处在形成一个将能够在与美国宇航局、政府、学术界、工业界和我们的国际合作伙伴合作的同时实施这项使命的组织中。

但现在筹款是他们最大的挑战。目前对一个整个使命的费用估计数高达约5.2亿美元。

如果使命是成功的天文学家能说一颗特定的系外行星宿主生命吗？

图里雪夫说，我们将寻找可能表明生命存在的光谱线（氧气、氮气、甲烷等），这帮助我们特征化生命。他说，该使命还可以获得大气层光谱来寻找二级代谢分子形式的弱生物签名，如二甲基硫醚（海洋藻类产生的有机硫）和异戊二烯（一种主要由植被排放的生物化合物）。

与这种二级生物签名耦合，图里雪夫说该使命将有足够的数据来毫不含糊的识别可居住性的迹象。

这可能是人类在附近的系外地球上真正发现生命的最佳选择

图里雪夫说，鉴于光学中的基本约束，用太阳引力透镜是我们一生中来看系外行星表面的唯一方法，从这个意义上说，太阳引力透镜是终极技术，他说甚至没有来靠近的新技术。

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我（Bruce Dorminey）是一名科学记者，也是《宇宙争议(brucedorminey.podbean.com)》的主持人，著有《遥远的...

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