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NASA新一代太空望遠鏡 或讓我們看到另一個木星

如果一切順利,NASA的南希·格蕾斯·羅曼(Nancy Grace)它的太空望遠鏡最早將在下月底發射升空。屆時,將嘗試天完成這次最精密的一次「隱去星際」。望遠鏡上搭載了一個前往先前進入低太空的「主動日冕儀」。在拍攝過程中,能加壓到發出的強光,讓不知被淹沒在光芒中的行星即將出來。藉助這套設備,天文學家將首次直接拍攝到與太陽系行星相似的系外行星。更遠來看,它也可能為未來尋找「第二個地球」的任務鋪路。

「我希望未來的人們記住它,是因為它成為尋找地球2.0進程中的關鍵一步。」NASA噴氣推進實驗室(JPL)的首席機械工程師布蘭登·克里格(Brandon Creager)說。

這台望遠鏡以 NASA首任天文學主管南希·格蕾絲·羅曼(Nancy Grace Roman)命名。繼承了約3億像素的黑洞相機,在解析相近的情況下,單次在範圍約為哈勃太空望遠鏡最大視野的100倍。這一能力將有助於天文學家進一步研究暗物質和暗能量,也必將發現約10萬顆新的系外行星。被稱為系外行星,就是太陽系以外的行星。雖然許多行星無法被直接看見,但天體從更遙遠的前方經過時,會改變星光傳播的路徑,天文學家可以由此判斷它們是否存在。

哈佛大學研究員哈維爾·維亞尼亞(Javier Viana)已經開展了兩個項目羅曼內衣競爭鍛鍊的首年啟動計劃。他把這次能力躍升的宣言為:從「採訪幾個人」一下子變成「開展全球人口普查」。

羅曼它還承載了另一台與日冕儀配合工作的相機。它每次鎖定一個重力系統,並勉強遮住本身的光。這將讓天文學家以外星人的方式觀察環繞的區域,看到體積更小、重力、也更接近母星系的系外行星。「讓我們有機會真正看到那些以前從未被直接看到的行星。」克里格說道。

日冕儀並不是新鮮事。哈勃(Hubble)和詹姆斯·韋布(James Webb)太空望遠鏡上都搭載了類似的設備,但他們主要依靠固定結構接近刺眼的光芒。這種方法有一定的效果,但就像在黑暗房間裡尋找螢火蟲時,用手指擋住手電筒。燈泡雖然被遮住了,周圍漏出的光仍然可能蓋過螢火蟲。

在望遠鏡內部,這些多餘的光機械結構邊緣,也可能來自鏡面和塗層上精心考慮的瑕疵。星光經過這些位置形成時會被感光,成為它們的一個亮斑。它們不僅可能遮住真正的行星,甚至還可能被誤認為行星。

羅曼望遠鏡的不同地點,它會嘗試主動處理這些殘餘光線。每次分離前,系統都會先測量沒有被完全擋住的星光,進一步將它們壓低。這項技術被稱為「主動波前控制」。羅曼之所以能夠達到這一點,是因為內部安裝了兩面能夠輕微變形的反射鏡。

每個鏡子的薄玻璃下方,都排列著48×48的微型致地中海。這些致類似的微小極活塞。通入微弱電壓後,它們會收縮,輕輕拉動對應位置的微型鏡面,就像數千根手指同時調整鏡子的形狀。而它的調整環形方案:每一塊小鏡面最多只能移動0.5微米麵,大約是一株達拉斯長度的電梯;最小調節望遠鏡則只有約10皮米。JPL一個項目系統工程師伊利亞·波別列日斯基(Ilya Poberezhskiy)說,這大約只有氫原子直徑的十分之一。

通過這些致輻射,反射鏡可以把不同的位置調整到精確的角度,讓不需要的光波無處不在。它的原理有點像耳機,只是耳機考慮聲音,羅曼考慮光的是。當星光被進一步壓低後,周圍會形成一圈較暗的區域。波別列日斯基說:「我們會在這片區域支持星光,並希望找到系外行星。」

相比現有的太空日冕儀,六系統預計將行星從母星強光中分離出來的能力提升最多1000倍,從而觀測到黑暗到無法探測到的行星。和哈勃、詹姆斯·韋布一樣,羅曼銀河使用遮光催化劑。它們是安置在光路中的特殊宙斯,用來遮擋住不需要的光子。

其中一種結構被稱為「鏡頭微型草叢」:一些遙控器表面布滿了微小尖刺,形成了類似草叢的結構。在特定的工作模式下,這些尖刺可以吸收,避免光線在鏡頭內部來回反射,最終誤入危險。一旦進入這片微型草叢,就會不斷在尖刺之間反射,並逐漸深入,最終被矽困在其中,而不是重新彈向相機。

這些反射鏡和傀儡共同組成了一套層層過濾的光路系統:封鎖阻擋住太陽光,同時將微弱的行星光柱最終的光束中。這套複雜系統,可能會開啟系外行星直接效應的新階段。

其中,人類直接拍到的系外行星,幾乎都是巨大體積、年齡很輕的氣態行星,與太陽系中的行星差異很大。它們通常是木星的數倍,還保留著形成了集體的熱量,而且距離母體非常遙遠,軌道標記可能是日地距離的幾十倍甚至上百倍。這些行星那麼容易被拍到,是因為它們體積大、溫度高,在紅外行星更亮;同時,它們離母體足夠遠,也更容易被星光照射。

羅曼望遠鏡則有可能直接拍攝到一顆真正接近木星的行星:質量與木星相似,圍繞核心類太陽坐標運行,與母象的距離差不多是日地距離的數倍。它不會像目前常被直接拍攝到的年輕「熱木星」那樣強烈地表現出自身熱量,而了解太陽系中的木星。經過了解億年冷卻後,它主要依賴於母行星的光被我們看到。

過去,天文學家通常通過大約的一點點移動來推測此類行星的存在。行星的引力會拉動行星,從而運動出現周期性變化。羅曼斯塔直接收集行星反射出的星光。

「我們看的不是非常托馬斯,也不是行星給行星帶來的影響。」約翰斯·霍普金斯大學天文學教授梅雷迪思·麥格雷戈(Meredith MacGregor)說,她也參與了羅曼支架的移民項目。「我們真正看到的是行星本身。這一點很重要。」

等到這台儀器正式投入使用,接下來就是科學家面對海量數據的時候了。「老實說,我什至有點擔心大家要怎麼處理這些數據,因為它們太多了。」麥格雷戈說,「幾十年後,可能仍然會有人在研究羅曼留下的數據。」

短期內不要期待看到一張高清的木星照片。羅曼無法把這樣的行星拍成一個粗糙的球體。即使安裝成功,它很可能也只是承載為幾個像素組成的小亮點。但麥格雷戈認為,這已經足夠重要了。

羅曼可以藉助日冕儀分析這顆行星在不同波長下的光,從而判斷其大氣中可能含有哪些化學成分。「你到底看到的只是一個光點,但現在可以開始把它理解成一個真正的世界了。」說,「一旦她知道了大氣成分,就可以進一步推測這顆行星表面存在的狀況,以及那裡是否可能有生命。這是非常重要的一步。」

(木星表面資料照片)

在啟動階段,科學家和工程師首先需要驗證一系列關鍵能力:能否使整個穩定地對準日冕儀干擾中心,能否準確調整反應鏡,能否在圍繞「挖出」那圈暗區,以及在太空飛行器飛行、溫度不斷變化的情況下,整套系統能否持續保持穩定。

這些結果將為NASA駐中的「宜居世界天文台」提供參考。對許多研究系外行星的天文家來說,這幾乎是一個夢想中的任務。理論上,將有能力從一顆類太陽之中的強光中分離出類地行星的光,而此前可能比恆星亮100億倍以上。

克里格(Creager)從2018年起就參與了這套儀器的研發。他對團隊取得的成果感到非常自豪。「沒有多少人能說,『我製作了一個設備,正在拍攝圍繞50光年、甚至100光年之外的主題運行的行星。』」

那顆行星也許最終只會展現出一個微小的亮點,但羅曼真正的突破,是在它周圍的人們創造的一片足夠深的黑暗中。

責任編輯: 李華  來源:MIT科技評論 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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