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恒星附近發現一顆質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”內發現3顆類地巖態行星。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、蘇聯科學院聯合召開學術會議支持“尋找地外文明”（SETI），已經過去42年了。設置在全球多個地方強大的射電望遠鏡陣列，至今沒有發現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太陽系外行星北落師門b（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。至于距離也是22光年（約139萬天文單位）的類地巖態行星Gliese 667C，科學家目前只能憑想像繪出它的藝術圖。

發展的需求，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。

理論基礎

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域里的領軍人物之一，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，就可以用很小的發射功率實現S/C2與地球的雙向射電通訊信號傳輸。

③ 關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，M⊙：太陽質量，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：“雖然公式是我根據電磁波的衍射規律，對射電波推導出來的，但是射電波和光波都是電磁波，遵循同樣的衍射規律，所以對光波也是適用的。”

確認這個技術關鍵點以后，我便詳細說明了關于“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）。數據意味著：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對它的光學觀測。對于4.3光年外的半人馬座α三星系統的行星，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。

技術難點分析

實現光學波段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的“如何實現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難點。

Gliese 667C的藝術概念圖

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，任務飛船X到達工作區域（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，計算出質量20噸飛船X環繞矢徑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，或者利用遙遠天體的天文導航，實現精確的定位定向。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。如果繼續利用宇宙中那些穩定的“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（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。但從工程技術角度看，實現“高精度”主要的難點，一是需要高精度的“時統”，另一個是需要“高精度、高比沖、能長期工作”的動力系統，以保持飛船X姿態并提供向心力f。目前它們的技術基礎如何呢？

“時統”：2013年8月22日，美國國家標準與技術研究所宣布，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”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秒的離子發動機，在太空連續工作了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《從現在到2020年：先進的推進系統與技術》可以查到，在“電推進器”領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毫牛～1500毫牛的雙霍爾電推進器。繼續發展電推進及其他高效、低推力技術，可以滿足FOCAL任務飛船保持軌道和姿態控制、定位的動力要求。

交流結束，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

在自然科學領域，任何理論，不管是多么有權威的學者提出來的，都必須能接受實踐的檢驗（包括愛因斯坦廣義相對論，現在還不斷有人在做實驗驗證）。但現在把飛船送到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，引力透鏡產生了極高的放大率的有利條件，根據源恒星光變曲線數十天的時間歷程，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下去。

交流結束時，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、技術難度、可行性和總體可操作性，都比“百年星際飛船”構想的派飛船遠航到4.3光年好，可能是SETI未來最有希望實現的項目。如果大家深入研究，統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播的外星世界的風云變幻。