1.

在未來十年的某個時刻，

歐洲特大望遠(yuǎn)鏡（ELT）將會完工，

到那時，它將成為世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。

ELT的主鏡直徑約為40米，

從下面這張圖中，

我們可以看到它和其他知名望遠(yuǎn)鏡的大小對比：

○ ELT和其他望遠(yuǎn)鏡的主鏡面積比較。| 圖片來源：Wikimedia Commons

越來越大的望遠(yuǎn)鏡

意味著越來越強(qiáng)大的集光能力，

但自然也意味著越來越昂貴的造價。

那么，除了一味地建造大型望遠(yuǎn)鏡之外，

我們還能做些別的嗎？

哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家David Kipping

有了一個絕妙的想法。

他想要將一個太空望遠(yuǎn)鏡置于比月球還要的地方，

接著利用地球大氣層的聚焦能力，

將暗淡天體的亮度放大數(shù)萬倍。

Kipping將這樣一個望遠(yuǎn)鏡

稱為地球鏡（Tarrascope）。

由地球鏡所產(chǎn)生的圖像的美麗程度

自然無法與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡相媲美，

畢竟地球的大氣是易變的。

但是，它能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡無法發(fā)現(xiàn)的天體，

比如那些非常微弱的小型系外行星，

或者是那些能對地球造成威脅的小行星。

○ 地球鏡可以利用大氣層作為透鏡，將遙遠(yuǎn)物體的光放大22500倍。| 圖片來源：James Tuttle Keane

雖然，這個想法還過于新穎，

但我們已經(jīng)具備了必要的技術(shù)。

Kipping將這些想法寫成論文，

發(fā)表在了arXiv上。

許多讀過論文的天文學(xué)家

都驚嘆于他對這一問題的深遠(yuǎn)思考，

并認(rèn)為這是一個有趣的思想實(shí)驗。

但他們普遍認(rèn)為還有許多細(xì)節(jié)需要仔細(xì)思考，

才能得到更多的證據(jù)來證明

這個想法真的能奏效。

2.

Kipping致力于搜索

其他行星系統(tǒng)中的衛(wèi)星，

去年，他在距地球8000光年外的地方，

找到了一顆海王星大小的天體，

這很可能是第一顆確認(rèn)的系外衛(wèi)星。

○ 第一顆系外衛(wèi)星或許是一個海王星大小的世界圍繞著一個木星大小的行星。| 圖片來源：Dan Durda

早在13年前，

Kipping就萌生了地球鏡的想法，

當(dāng)時，他正在研究一種

名為綠閃光的罕見大氣現(xiàn)象，

這種現(xiàn)象出現(xiàn)在太陽落下地平線之后，

大氣的折射和散射一起作用，

暫時性地從陽光中選出綠色的光。

○ 圖片來源：[1]

他意識到，

當(dāng)太陽從地球的后面經(jīng)過時，

太陽光會因環(huán)繞在地球周圍的空氣環(huán)而發(fā)射折射，

那么如果這時我們處于一個正確的位置上時，

就有可能看到一個完整的綠色光環(huán)。

○ 圖片來源：[1]

Kipping的另一個靈感來源，

是太陽本身就可被用作透鏡這一想法。

太陽的引力能將光聚焦到一個太空探測器上，

這樣一個太陽透鏡能將光放大百萬甚至十億倍，

如此一來就有可能將系外行星的表面帶進(jìn)視野。

由這個想法應(yīng)運(yùn)而生的

是歐洲航天局在1993年計劃的FOCAL任務(wù)。

但它從未得到真正的關(guān)注，

因為這需要將探測器放置在日地距離550倍的位置上，

比海王星還要遠(yuǎn)將近20倍，

是一個航天器需要飛行一個世紀(jì)才能抵達(dá)的距離。

○ 圖片來源：[1]

但地球鏡卻可以離我們更近。

Kipping計算出，

在地球正后方的天體所發(fā)出的光

會在擦過地球表面后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，

然后聚焦到地月之間的一個點(diǎn)上，

處于地月距離85%的位置上。

○ 圖片來源：[1]

能抵達(dá)那個焦點(diǎn)的光很可能會在穿過低層大氣時

遇到云層和大量的湍流。

但是，如果將探測器移到150萬公里以外，

也就是聚焦到一個比月球距離遠(yuǎn)4倍的地方，

那么它就能收集到來自平靜得多的、沒有云的平流層的光線。

在這個距離上，

如果用一個1米的望遠(yuǎn)鏡觀測一整夜，

就將看到一個天體的亮度被提高到原來的22500倍，

這相當(dāng)于使用了一個150米的望遠(yuǎn)鏡。

這是非常強(qiáng)大的放大能力，

使得地球鏡可以探測到光芒十分微弱的天體，

以及非常明銳地識別出亮度出現(xiàn)的極微小變化。

因此它能在掃描天空時

尋找那些非常小、非常暗的小行星，

也能在小型的系外行星經(jīng)過明亮的恒星之時，

捕捉到亮度出現(xiàn)的微小變化。

為了避免受到地球明亮的光的干擾，

這個望遠(yuǎn)鏡還需要一個日冕儀的遮罩來遮擋它。

但Kipping還沒有考慮到“大氣輝光”的影響，

這是一種通過發(fā)光和其他過程從上層大氣中發(fā)出的昏暗的光。

但他指出，

可以利用濾鏡或數(shù)碼技術(shù)來消除這種發(fā)光。

他認(rèn)為，用一個便宜、烤面包機(jī)大小的CubeSat任務(wù)，

就可以對這一概念進(jìn)行檢驗。

3.

有天文學(xué)家認(rèn)為，

大氣的變化很可能會

嚴(yán)重降低地球鏡的圖像質(zhì)量。

若要評估這種影響，

下一步研究人員應(yīng)該用

真實(shí)的地球大氣模型進(jìn)行光線追蹤分析。

理想情況下，

這個巨型透鏡應(yīng)該能將光線聚焦到一個點(diǎn)上。

但現(xiàn)實(shí)情況下，

可能會得到一些有斑點(diǎn)的圖樣。

謹(jǐn)慎的天文學(xué)家們認(rèn)為，

地球的大氣層是個非常不理想的透鏡，

它會產(chǎn)生非常模糊的圖像。

但它或許可以成為一個

研究微弱天體的亮度變化的工具，

將它變成一個巨大的光的放大鏡。

至少，Kipping已經(jīng)成功地

讓其他天文學(xué)家開始研究這個想法，

雖然幾乎沒有人會基于這篇論文就發(fā)射一個航天器，

但至少這是朝這個方向前進(jìn)的出色的第一步。

參考來源：

[1] https://www.youtube.com/watch?v=jgOTZe07eHA

[2] https://www.sciencemag.org/news/2019/08/space-telescope-would-turn-earth-giant-magnifying-lens?