使用什么拍摄类地系外行星的照片？如何让航天器到达遥远的目的地

即使是地球上最大的望远镜也无法分辨出离我们最近的已知类地系外行星比邻星 b。

如果我们想拍摄这样一个遥远世界的照片，我们需要考虑得更大。

应该用什么方法呢？

一种方法是使用太阳。

太阳的引力使它周围的空间弯曲，而这种弯曲能够偏转光路。

在合适的距离，太阳可以充当一个巨大的放大镜，提供成像系外行星所需的分辨率。

那么，我们如何才能将望远镜带到可以做到这一点的极其遥远的地方呢？一组天文学家提议使用巨大的光帆在那里推进航天器。

天文学家正在寻找一颗围绕类太阳恒星的类地行星，距离恰到好处，以便液态水可以存在于其表面。

迄今为止，我们还没有发现那颗金发姑娘的行星，尽管它收集了超过 4,000 颗已知系外行星的令人印象深刻的集合。

绝大多数系外行星狩猎依赖于观察非常小的、非常遥远的物体。

通常，天文学家只需要处理一个像素的数据，他们会观察亮度变化或光谱的变化，以确定系外行星的存在。

在极少数情况下，天文学家能够拍到系外行星的照片，但这些都是非常特殊的情况——附近的、绝对大质量的行星。

即使我们找到了地球 2.0，我们也无法拍下它的照片。

例如，最大的光学望远镜将很快成为智利的Vera C. Rubin 天文台，其孔径为 8.4 米（27.6 英尺）。

那是一个真正的巨型望远镜。

但是，如果我们将它指向比邻星 b——已知的最近的系外行星，距离大约 4 光年——在那个距离，它的分辨能力将达到 120 万英里（190 万公里），大约是地球宽度的150倍。

其他即将推出的望远镜，如智利的超大望远镜和夏威夷的三十米望远镜，将无法在这个数字上产生太大影响。

在未来几十年里，我们所有计划中的天文台，无论是太空还是地面，都将永远无法将一颗外星行星视为一个单一像素的光。

假设有一天我们确实确认了地球 2.0 的存在；我们找到了一个宜居的世界，通过光谱学，我们确定生命可能已经找到了立足点。

我们怎么可能拍到它呢？

答案在于重力。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，物质和能量会弯曲它们周围的时空。

光被迫跟随空间的这种弯曲；空间弯曲的地方，光必须跟随。

英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿爵士用这种光的偏转来进行广义相对论的第一次实验测试，当时他研究了在日食期间光线擦过太阳表面的恒星的偏转。

由于空间的弯曲，这颗恒星出现在了错误的天空部分，距离爱因斯坦方程完美预测。

巨大的物体就像一个镜头。

镜头不只是聚焦光线；他们放大了它。

如果你把太阳想象成一个巨大的放大镜，你所要做的就是在那个镜头的焦点上放置一个航天器，以利用所有的放大能力。

我们所说的功率有多大？太阳的引力就像一个放大倍数达数千亿的镜头。

利用这一优势的航天器，在比邻星系统上进行训练，将具有几英里的分辨能力。

这将使它能够绘制大陆、海洋、冰盖甚至生物群落的地图。

这将是进入我们周围宇宙的一个非常强大的窗口。

一个陷阱:焦点，也就是我们需要放置望远镜来利用太阳引力透镜的位置，大约在550个天文单位之外。

一个天文单位是地球和太阳之间的平均距离——大约9300万英里(1.5亿公里)，因此这意味着焦点需要距离地球和太阳550英里。

这几乎是冥王星的20倍。

旅行者1号比任何其他航天器都离地球更远，目前距离太阳约40天文单位。

那么，我们如何才能让航天器到达如此遥远的目的地呢？一组天文学家提出了一个解决方案：使用光帆。

研究人员建议使用不超过约 220 磅的航天器。

（100 公斤）附着在巨大的轻帆上，这是一张模仿船帆的巨大帆布。

光帆将使用来自太阳的光来推动航天器，每年可能行驶约 20 天文单位。

这将使望远镜——它不需要那么令人印象深刻，因为太阳将完成大部分工作——在不到 25 年的时间里到达太阳焦点。

考虑到设计、建造和发射像詹姆斯·韦伯太空望远镜这样的仪器需要多长时间，这并不难。

尽管如此，除了作为有限的技术演示者之外，光帆还没有部署在太空旅行中。

要想设计出一种能够真正推动这种航天器的轻型帆，需要材料科学和工程方面的巨大飞跃。

所以未来的系外行星成像仪可能是下一代天文学家的领域，但至少它不是科幻小说。