在沙漠深處遙望宇宙

路西

在廣闊無垠的宇宙中，除了地球所在的太陽系以外，還有許許多多的恒星、行星、星系，以及黑洞等。如果天文學家想要解開更多的宇宙謎題，就需要在宇宙中看得更遠更清楚，為此，天文學家需要建造更大、精度更高的望遠鏡。目前，眾多大型望遠鏡已經(jīng)在計劃和建造之中了，其中就包括極大望遠鏡（簡稱ELT）。ELT由歐洲南方天文臺的十六個成員國共同承建，并選址于南半球的智利，這里是眾多先進天文儀器的大本營。如果ELT建成，天文學家不僅能夠找到上述問題的答案，而且還能直接觀測外星天體。

奔赴南美洲的歐洲天文學家們

在智利拉西拉天文臺的控制室中，來自意大利的研究員西蒙娜·奇切里正緊盯著一排監(jiān)視器，她的手里拿著一張紙，上面潦草地寫著幾個坐標。接下來的一整晚，操作員會將望遠鏡鎖定在這幾個位置，奇切里需要一直守在這里，尋找太陽系外的行星。奇切里是每年前往智利的數(shù)百名國際天文學家之一，為了找到和確認新的行星，她可能需要在智利呆上幾個月。

智利在天文學家心中的明星地位始于拉西拉天文臺的建設。20世紀60年代初，世界上所有的大型望遠鏡都安裝在北半球，天文學家只能看到半邊的天空。然而為了研究銀河系和麥哲倫星云的中心，歐洲的天文學家們不得不去南半球。

1962年10月5日，德國、法國、比利時、荷蘭、瑞典五國在法國巴黎簽署了一份協(xié)議，決定共同在南半球建立天文臺，并命名為歐洲南方天文臺（ESO），后來丹麥、芬蘭、意大利等國家也陸續(xù)加入ESO。因為智利阿塔卡馬沙漠氣候極度干燥，平均每年只下6天的雨，而且空氣十分干凈，非常適合觀測天空，所以當時的幾個歐洲國家最終選定智利阿塔卡馬沙漠為ESO的臺址，并且聯(lián)合在海拔2400米的地方建造了第一座南半球大型天文臺——拉西拉天文臺。（現(xiàn)在歐洲南方天文臺在智利主要有三個觀測地：拉西拉天文臺、帕瑞納天文臺和拉諾德查南天文臺。）

神秘天體充滿宇宙

當拉西拉天文臺于1969年3月落成時，天文學家還沒有發(fā)現(xiàn)一顆系外行星。直到1995年，人們才第一次確切地觀測到一顆距地球40光年的氣體行星，它的運行軌道非?？拷阈牵?個地球日就完成一次恒星環(huán)繞。從那以后，天文學家觀測到的系外行星數(shù)量一直在不斷增長，截至2019年2月10日，已確認的系外行星數(shù)量是3912顆。

這些新發(fā)現(xiàn)的行星有著各種各樣的特點，有些甚至顛覆了我們原本對行星的認知。例如，距地球420光年以外，有一顆和土星十分相似的系外行星J1407b，它竟然擁有37個行星環(huán)，直徑是土星的200倍，達9000萬千米，因此它也被稱為“超級土星”。另外還有一顆名為開普勒-16b的行星，它會圍繞著兩顆恒星運行，也就說在它的天空里會有兩顆太陽。

在已經(jīng)確認的全部系外行星中，70%的發(fā)現(xiàn)要歸功于開普勒太空望遠鏡。2009年，美國國家航空航天局（NASA）將開普勒太空望遠鏡派往太空執(zhí)行一項十分無聊的任務：連續(xù)4年來回掃描太空的同一小塊區(qū)域。在掃描的過程中，開普勒會收集該區(qū)域約15萬顆恒星發(fā)出的光，用一種間接的觀測方法——凌日法尋找系外行星。由于行星相對于恒星來說非常小，比如：太陽包含了太陽系中99%的物質，可以容納130萬個地球，望遠鏡在非常遠的位置將無法直接看到小小的行星。不過，如果太空望遠鏡位于太陽和地球的正前方，每當?shù)厍蚪?jīng)過太陽和望遠鏡之間，它就會擋住一些陽光。對于系外行星來說也一樣，如果望遠鏡探測到一顆恒星發(fā)出的光以固定的時間間隔減少，這意味著一顆或者多顆行星圍繞著恒星旋轉。2018年，開普勒太空望遠鏡由于燃料耗盡正式退役，不過它的成果十分豐碩，截至2019年2月10日，開普勒望遠鏡發(fā)現(xiàn)了已確認的2696顆系外行星，還有2896顆已發(fā)現(xiàn)但未經(jīng)確認的行星。

尋找“跳舞”的恒星

天文學家們還遠遠沒有完成對開普勒提供的大量數(shù)據(jù)的研究，奇切里的任務就是精確地調查一些候選的系外行星，以便正式確認它們的身份，她所使用的方法是尋找“跳舞”的恒星。

準確地說，這種方法叫做徑向速度法，也叫多普勒光譜法，它來源于多普勒效應。那么什么是多普勒效應呢？

你一定有過這樣的經(jīng)歷，當一輛救護車在你眼前呼嘯而過的時候，隨著救護車離我們的距離由遠變近、再變遠，警報聲的音調也先是變得尖利，然后恢復平緩。因為當光波或聲波的波源與觀察者發(fā)生相對運動時，就會產生多普勒效應，即當波源（救護車）接近觀察者時，觀察者接收到的波的頻率會變高（你聽到的聲音的頻率會變高），當波源遠離觀察者時，觀察者接收到的波的頻率會變低。

恒星就是光源，正朝我們（地球）移動的恒星所發(fā)出的光頻率更高，以可見光光譜——紅橙黃綠青藍紫為例，光的顏色會更藍，被稱為藍移，而遠離我們的恒星會看起來更紅，被稱為紅移。當然，恒星發(fā)出的光并不一定在可見光范圍內，紅移和藍移只是代表恒星所發(fā)出的光波頻率在光譜上的移動。

行星的引力會使恒星輕微地搖晃，在我們的眼中，恒星就像是在跳舞一樣。如果奇切里通過紅移和藍移發(fā)現(xiàn)了一顆正在跳舞的恒星，那么很大程度上行星正在拉著恒星。

徑向速度法是天文學家尋找系外行星強有力的工具之一，而拉西拉天文臺的高精度徑向速度行星探測器（HARPS）是同類儀器中最杰出的。迄今為止，它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多的類地行星。2016年，天文學家使用HARPS發(fā)現(xiàn)了一顆類地行星，它圍繞著距太陽最近的恒星——半人馬座比鄰星運轉，它與其恒星距離為700萬千米，質量至少為地球的1.3倍。2017年，一個比利時研究小組公布了一項發(fā)現(xiàn)：七顆行星圍繞著一顆矮星運行，形成了一個類似太陽系的星系，該發(fā)現(xiàn)也受益于HARPS。為了紀念自己家鄉(xiāng)的啤酒，這些天文學家將該系統(tǒng)命名為TRAPPIST-1，在該系統(tǒng)中，多達3顆行星與地球相似，并提供了可能容納生命的條件。

拍攝行星的照片

當我們在夜間凝視美麗的星空時，我們的瞳孔會擴張以便收集更多的光線，從而可以看見那些更昏暗的星光。但是人眼收集光線的區(qū)域很小，因此，天文學家使用大鏡面的望遠鏡，來看向更深更遠的星空。自從反射式望遠鏡（使用曲面和平面的鏡面組合來收集和反射光線，并形成影像的光學望遠鏡）發(fā)明以來，鏡面變得越來越大。

在ELT建成以前，甚大望遠鏡（VLT）無疑仍是歐洲南方天文臺的主角。它由四個筒倉組成，每個筒倉都有一個主鏡望遠鏡，每個主鏡（用于接收光線）直徑8.2米。這四臺望遠鏡既可以單獨使用，也可以組成光學干涉儀，每個望遠鏡所收集到的光通過復雜的地下通道系統(tǒng)結合起來，天文學家可以看到遙遠行星更細微的細節(jié)。例如，我們可以在地球上看到國際空間站里一顆螺絲釘上的螺紋（國際空間的運行軌道位于地表上空400千米）。同時，每臺望遠鏡都配有先進的儀器，比如ESPRESSO和SPHERE，解釋它們的名字并沒多大意義，我們在此省略。

ESPRESSO是最新一代光譜分析儀器，它是HARPS的后繼者。HARPS可以探測到速度為3.5千米/小時的恒星運動，而ESPRESSO和4個VLT望遠鏡一起工作，可以捕捉到速度為0.35千米/小時的恒星運動。因為小行星對其恒星的作用力要小于大行星，因此靈敏的ESPRESSO可以發(fā)現(xiàn)更多更小的類地行星。

SPHERE解決了星光閃爍的問題，雖然我們看到“一閃一閃”的小星星時會感到非常好玩，但是對天文學家來說，這是一件煩人的事。星光閃爍是因為地球大氣層中的塵埃顆粒扭曲了光線。SPHERE包括自適應光學系統(tǒng)，可以調整某一小部分鏡面的形狀，每秒可以變動1200次，來矯正光線。2016年，天文學家第一次利用SPHERE拍攝到了一張行星照片，這是一顆類似木星的行星，圍繞一顆365光年外的恒星運行。

打破記錄的望遠鏡

在不久的將來，一個主鏡直徑為39米的“巨型天眼”ELT將會坐落在智利阿馬索內斯山頂，并將天文觀測提升到新的高度。ELT將比世界上現(xiàn)存的所有反射望遠鏡加起來還要大，能夠收集的光量將是目前最大光學望遠鏡的15倍。

主鏡、二級鏡、三級鏡和自適應鏡面是ELT的精髓，它們的功能和精度都將打破記錄。由于VLT所使用的8米左右的鏡面已經(jīng)達到了制造、運輸和維護的極限，為了制造更大面積的鏡面，主鏡將被分解成798個小的六邊形鏡面，每個小鏡面為1.4米寬。另外，綽號為“橡膠鏡子”的鏡面負責自適應光學。它的直徑為2.6米，只有2毫米厚。該鏡面有8000個控制單元，這些控制單元將根據(jù)大氣或風力進行每秒數(shù)千次的調整。二級鏡和三級鏡負責收集和聚集光線。二級鏡直徑為4.2米，重3.5噸，這面鏡子由德國鑄造，冷卻一年后，法國的專家們會打磨鏡面，直到偏差值不超過15納米。

2024年，當ELT指向智利的天空時，天文學家將能夠聚焦于以前根本看不清的遙遠天體，并且在未來數(shù)十年里，ELT都將是世界上最大的光學望遠鏡。不過天文學家們不會止步不前，未來的望遠鏡將會突破什么樣的極限呢？讓我們拭目以待。