利用引力透鏡看外星世界

□ 韓厚康

本文作者與馬可尼博士

國際宇航學院太空科學探索技術(shù)部主任克勞迪奧·馬可尼博士，是國際上研究“利用引力透鏡進行深空探測”的知名專家。今年9月21日，在中國宇航學會的精心安排下，我有幸與來北京參見第64屆國際宇航大會的馬可尼博士進行了兩個半小時的學術(shù)交流，探討“利用太陽引力透鏡（下簡稱SGL）的‘FOCAL任務’”，我感覺茅塞頓開、受益匪淺。

課題的由來

近來，在光學波段搜尋系外行星的工作捷報頻傳：2012年10月，在距離太陽系4.3光年的半人馬座αB恒星附近發(fā)現(xiàn)一顆質(zhì)量接近地球的類地行星；2013年6月，在距地球22光年天蝎座紅矮星Gliese 667C周圍“宜居帶”內(nèi)發(fā)現(xiàn)3顆類地巖態(tài)行星。最近又傳出一個消息：2014年10月，離太陽系最近的比鄰星將運行至一顆背景恒星前，當它們與地球排列成一條直線時，人們將用哈勃空間望遠鏡和各種手段詳細觀察分析可能出現(xiàn)的微引力透鏡事件，希望能判斷比鄰星是否有行星、是什么樣的行星。

但喜中有憂，自1971年美國、蘇聯(lián)科學院聯(lián)合召開學術(shù)會議支持“尋找地外文明”（SETI），已經(jīng)過去42年了。設置在全球多個地方強大的射電望遠鏡陣列，至今沒有發(fā)現(xiàn)任何來自外太空的人工信號痕跡。所有射向外太空的無線電波，都是“有去無回”，至今杳無音信。在光學領(lǐng)域，情況也不太樂觀。由于類地行星距離遙遠、體積小、亮度低，即使用當代最先進的技術(shù)手段，也很難對它們做進一步的觀測。例如，2008年11月，美國公布了哈勃空間望遠鏡拍到的首張?zhí)栂低庑行潜甭鋷熼Tb（位于南魚星座）的可見光照片，雖然其大小與木星相當，但亮度只有主星的10億分之一，照片上只能顯示出一個亮點，而看不出什么細節(jié)。至于距離也是22光年（約139萬天文單位）的類地巖態(tài)行星Gliese 667C，科學家目前只能憑想像繪出它的藝術(shù)圖。

發(fā)展的需求，促使科學家尋找進一步觀測類地行星的新方法。下面的路怎么走呢？

本文作者向馬可尼博士介紹自己的研究成果

眾所周知，作為望遠鏡能力的重要標志的“角分辨率θresolution(簡寫為θres)”，等于對遠方景物的“分辨率Ro（剛好能分辨開的兩物體之間的最小間隔）”與觀測距離Dp之比（即：θres=Ro/Dp）。而θres與觀測波長λ、望遠鏡物鏡的口徑D（對望遠鏡陣列而言是基線長度）的關(guān)系是θres=1.22λ/D。由此可以得到：

從公式一可見：Dp不變時，Ro將隨望遠鏡口徑D的增加而變小，遠方景物顯得更清楚；而當θres 為定值時，Ro將隨著距離Dp的增加而變大，景物變模糊。而現(xiàn)有和不久的將來可以利用的光學觀測設備，不用說2.4米口徑的“哈勃”和基線長100米的“地外行星搜尋者”空間望遠鏡，即使未來建成了基線長10千米的空間望遠鏡陣列，對應波長0.6微米可見光，其角分辨率也只有1.5×10-5弧秒。對4.3光年遠的半人馬座αB的行星，分辨率Ro≈3000千米，不能解決我們觀測關(guān)心的問題。若使Ro減小到3千米，陣列基線就要長到10000千米，各子鏡間信號的傳輸和光程差的補償都是嚴重的問題，工程上極難實現(xiàn)。

理論基礎(chǔ)

1979年，科學家們通過分析引力透鏡事件，首次觀測到位于大星系背后的類星體的圖像。34年來，借助“引力透鏡效應”，科學家們在探測宇宙中物質(zhì)分布、研究類星體、甚至尋找太陽系外行星等方面取得了許多成果。近年來，歐、美一些科學家，把目光匯聚到我們自己的恒星——太陽的引力透鏡效應，研究它在人類探測宇宙中能做些什么。馬可尼博士就是這個領(lǐng)域里的領(lǐng)軍人物之一，本次交流中，他詳細講解了FOCAL空間任務。其要點是：

① 關(guān)于太陽引力透鏡（SGL）。在太陽上空，來自遙遠天體的電磁波束，在太陽引力場的作用下偏折，一部分會聚到距離太陽550天文單位以上的焦點，這與光束被普通望遠鏡物鏡匯聚到焦點類似，但是SGL的口徑有2×106千米的量級，這樣，在射電波段可以利用SGL獲取銀河黑洞等射電源的高分辨率射電圖片。

② 如何利用SGL進行遠距離雙向射電通訊。 如圖1所示，遠航到另一個文明星球的太空船S/C2、位于太陽焦點處的太空船S/C1和太陽、文明星球的主星半人馬座α四者排成一線，利用主星和太陽兩個引力透鏡的放大作用，就可以用很小的發(fā)射功率實現(xiàn)S/C2與地球的雙向射電通訊信號傳輸。

③ 關(guān)于電磁波源被引力透鏡會聚成像的角分辨率。馬可尼博士確認，由衍射定律確定的電磁波源被太陽引力透鏡會聚成像的角分辨率，可按以下公式計算：

θres=λ/[π2·(2z·rg)0.5] （公式二）

式中，λ：電磁波的波長；z：焦點到太陽中心距離；rg=2G·M⊙/c2（G：萬有引力常數(shù)，M⊙：太陽質(zhì)量，c：光速。rg是太陽的史瓦西半徑，約2953米）。

圖1.遠航到半人馬座α的飛船S/C2利用兩個引力透鏡實現(xiàn)與地球的雙向通訊

北落師門b（右下角圖中亮點）

獲取高分辨率圖像

交流中我問馬可尼博士：“（公式二）是否也適用于光波？”博士回答說：“雖然公式是我根據(jù)電磁波的衍射規(guī)律，對射電波推導出來的，但是射電波和光波都是電磁波，遵循同樣的衍射規(guī)律，所以對光波也是適用的。”

確認這個技術(shù)關(guān)鍵點以后，我便詳細說明了關(guān)于“借助SGL獲取太陽系外行星高分辨率光學圖像”的思路。其要點是：

① 光波和射電波都是電磁波，但光波的波長更短，借助“太陽引力透鏡”2×106千米量級巨大口徑，它的理論分辨率就是2米口徑普通望遠鏡的109倍，可以獲取更高分辨率的信息；② 考慮日冕等對觀測的影響，載著光學望遠鏡的飛船的理想位置將大于550天文單位（初步計算，需要770～1000天文單位）；③ 按公式一、二可以計算出：當λ=0.6微米 、z＝1000天文單位時，SGL對距離Dp的目標行星表面的理論分辨率Ro（見表1）。數(shù)據(jù)意味著：從理論上講，借助SGL，不用遠航到太陽系外32.6光年的行星近旁，就能以嫦娥二號對月球表面20米分辨力的水平實現(xiàn)對它的光學觀測。對于4.3光年外的半人馬座α三星系統(tǒng)的行星，如圖2所示，Ro≈2.6米甚至能大體判斷類似飛機從航母上離開的事件。

技術(shù)難點分析

實現(xiàn)光學波段FOCAL任務有兩大難點：一是怎樣把飛船送到與目標行星相對于太陽的對峙點（目前飛離太陽日光頂層的“旅行者”2號探測器，平均每年飛行大約3.33天文單位。對FOCAL任務，恐怕要把飛行速度提高一個多量級）；二是在交流中馬可尼博士再三強調(diào)的“如何實現(xiàn)要求比射電波段高很多倍的光學波段望遠鏡高精度定位”。前者已有許多學者論述不再重復，下面初步分析第二個技術(shù)難點。

Gliese 667C的藝術(shù)概念圖

圖3示意了一個典型的光學FOCAL任務。與給恒星拍攝射電照片不同，因為行星P圍繞主星G旋轉(zhuǎn)，任務飛船X到達工作區(qū)域（z＝1000天文單位）后必須保持與P、S（太陽中心）在一條直線上，才能進行光學觀測給它照相。這樣，在近乎直線高速飛離太陽的同時，飛船X還要在太空圍繞著主軸線GS繞圈子（即繞GS延長線上的Y運動）。為此，需要給飛船X提供一個向心力f，讓它跟蹤P作相似的、但是軌道矢徑小得多的旋轉(zhuǎn)運動。（為對f的大小有個量級概念，按圖3，假設行星P繞主星G的周期1年，軌道半徑＝1天文單位，利用△SGP～△SYX，計算出質(zhì)量20噸飛船X環(huán)繞矢徑7.5萬千米軌道需要的f≈0.06牛頓。當然，隨著飛船到太陽距離z的增加，f也慢慢變大）

表1

圖2.FOCAL任務飛船利用望遠鏡給半人馬座αB的行星表面景物照相示意圖

圖3.FOCAL任務飛船X利用太陽引力透鏡跟蹤行星P并對其進行光學觀測照相的示意圖

眾所周知，地面和近地空間望遠鏡，可以利用GPS、北斗等導航系統(tǒng)，或者利用遙遠天體的天文導航，實現(xiàn)精確的定位定向。在離地球幾百至上千個天文單位的太空里，是否可以采用同樣的原理解決導航定位問題呢？答案應該是肯定的。如果繼續(xù)利用宇宙中那些穩(wěn)定的“燈塔”（如遙遠的脈沖星等），再仿照GPS建立一個太陽系定位系統(tǒng)（在太陽系深空布放一些起“燈塔”作用的人造裝置，包括布放在軌道穩(wěn)定的小行星上），問題將迎刃而解。當然這將碰到許多難題。但從工程技術(shù)角度看，實現(xiàn)“高精度”主要的難點，一是需要高精度的“時統(tǒng)”，另一個是需要“高精度、高比沖、能長期工作”的動力系統(tǒng)，以保持飛船X姿態(tài)并提供向心力f。目前它們的技術(shù)基礎(chǔ)如何呢？

“時統(tǒng)”：2013年8月22日，美國國家標準與技術(shù)研究所宣布，已研制出鐿原子鐘，工作150億年誤差小于1秒（精度比GPS用的銫原子鐘高500倍）。若太陽系內(nèi)各“燈塔”基站、飛船X都用它計時，并用波長更短的激光傳遞信號，“時統(tǒng)”問題就有望解決了。

“動力”：小推力、高比沖電推進器（也稱“離子發(fā)動機”），最可能成為FOCAL任務飛船跟蹤行星的首選。1998年升空的美國“深空”1號小行星探測器，使用推力90毫牛、比沖3300秒的離子發(fā)動機，在太空連續(xù)工作了14000小時。2012年珠海航展，我國蘭州物理研究所展示了LHT-100霍爾電推進器（推力4毫牛，參加了實踐九號衛(wèi)星在軌飛行）和LIPS-200離子電推進器（推力40毫牛，比沖3000秒）。另外，從歐洲人編寫的《從現(xiàn)在到2020年：先進的推進系統(tǒng)與技術(shù)》可以查到，在“電推進器”領(lǐng)域研究和應用走在前列的俄羅斯中央機械制造研究所，上世紀90年代起就開始研究推力500毫?！?500毫牛的雙霍爾電推進器。繼續(xù)發(fā)展電推進及其他高效、低推力技術(shù)，可以滿足FOCAL任務飛船保持軌道和姿態(tài)控制、定位的動力要求。

交流結(jié)束，馬可尼博士向本文作者表示祝賀

參加交流的全體人員與馬可尼博士合影留念

令人鼓舞的旁證

在自然科學領(lǐng)域，任何理論，不管是多么有權(quán)威的學者提出來的，都必須能接受實踐的檢驗（包括愛因斯坦廣義相對論，現(xiàn)在還不斷有人在做實驗驗證）。但現(xiàn)在把飛船送到550天文單位以外的SGL焦點去檢驗“在光學波段利用太陽引力透鏡觀測系外行星”是不現(xiàn)實的。那有沒有可借鑒的旁證呢？在交流中，我向馬可尼博士介紹了歐洲南方天文臺使用口徑0.6米的望遠鏡，對MOA 2002-BLG-33雙引力透鏡事件的觀測結(jié)果。他們利用源恒星、兩個透鏡星和觀測望遠鏡在某個時刻接近共線，引力透鏡產(chǎn)生了極高的放大率的有利條件，根據(jù)源恒星光變曲線數(shù)十天的時間歷程，反演出恒星的高分辨率像，對源恒星形狀扁率測量的有效角分辨率達到0.04微弧秒（約2×10-13弧度）。而通常條件下0.6米望遠鏡的衍射極限僅為10-6弧度，即借助引力透鏡，使觀測的角分辨率提高了5×106倍！博士得知此情況后很高興，他關(guān)于SGL角分辨率的理論公式在一定程度上得到天文觀測的證實，不再是純粹的理論公式了。自然，博士和我期待有更多的微引力透鏡事件來驗證這個公式。

還有一點需要指出：與通常的空間任務不同，觀測行星的FOCAL任務可以持續(xù)極長的時間。由（公式二）可以看出，SGL的理論角分辨率隨著飛船與太陽距離z的增加將變得越來越小，對行星的光學觀測將越來越清晰。也就是說，只要部件不壞，能源供應得上，任務就可以長期繼續(xù)下去。

交流結(jié)束時，我向馬可尼博士表示：借助SGL，讓光學望遠鏡在z≈1000天文單位處 “獲取太陽系外行星高分辨率光學圖像”，不論是價值、技術(shù)難度、可行性和總體可操作性，都比“百年星際飛船”構(gòu)想的派飛船遠航到4.3光年好，可能是SETI未來最有希望實現(xiàn)的項目。如果大家深入研究，統(tǒng)一認識后一起往這個目標努力，遇到的困難都可以克服。等到執(zhí)行這個FOCAL任務的飛船開始觀測的時候，也許大家就可以坐在家里，像身臨其境一樣觀看轉(zhuǎn)播的外星世界的風云變幻。