利用引力透镜看外星世界

□ 韩厚康

本文作者与马可尼博士

国际宇航学院太空科学探索技术部主任克劳迪奥·马可尼博士，是国际上研究“利用引力透镜进行深空探测”的知名专家。今年9月21日，在中国宇航学会的精心安排下，我有幸与来北京参见第64届国际宇航大会的马可尼博士进行了两个半小时的学术交流，探讨“利用太阳引力透镜（下简称SGL）的‘FOCAL任务’”，我感觉茅塞顿开、受益匪浅。

课题的由来

近来，在光学波段搜寻系外行星的工作捷报频传：2012年10月，在距离太阳系4.3光年的半人马座αB恒星附近发现一颗质量接近地球的类地行星；2013年6月，在距地球22光年天蝎座红矮星Gliese 667C周围“宜居带”内发现3颗类地岩态行星。最近又传出一个消息：2014年10月，离太阳系最近的比邻星将运行至一颗背景恒星前，当它们与地球排列成一条直线时，人们将用哈勃空间望远镜和各种手段详细观察分析可能出现的微引力透镜事件，希望能判断比邻星是否有行星、是什么样的行星。

但喜中有忧，自1971年美国、苏联科学院联合召开学术会议支持“寻找地外文明”（SETI），已经过去42年了。设置在全球多个地方强大的射电望远镜阵列，至今没有发现任何来自外太空的人工信号痕迹。所有射向外太空的无线电波，都是“有去无回”，至今杳无音信。在光学领域，情况也不太乐观。由于类地行星距离遥远、体积小、亮度低，即使用当代最先进的技术手段，也很难对它们做进一步的观测。例如，2008年11月，美国公布了哈勃空间望远镜拍到的首张太阳系外行星北落师门b（位于南鱼星座）的可见光照片，虽然其大小与木星相当，但亮度只有主星的10亿分之一，照片上只能显示出一个亮点，而看不出什么细节。至于距离也是22光年（约139万天文单位）的类地岩态行星Gliese 667C，科学家目前只能凭想像绘出它的艺术图。

发展的需求，促使科学家寻找进一步观测类地行星的新方法。下面的路怎么走呢？

本文作者向马可尼博士介绍自己的研究成果

众所周知，作为望远镜能力的重要标志的“角分辨率θresolution(简写为θres)”，等于对远方景物的“分辨率Ro（刚好能分辨开的两物体之间的最小间隔）”与观测距离Dp之比（即：θres=Ro/Dp）。而θres与观测波长λ、望远镜物镜的口径D（对望远镜阵列而言是基线长度）的关系是θres=1.22λ/D。由此可以得到：

从公式一可见：Dp不变时，Ro将随望远镜口径D的增加而变小，远方景物显得更清楚；而当θres 为定值时，Ro将随着距离Dp的增加而变大，景物变模糊。而现有和不久的将来可以利用的光学观测设备，不用说2.4米口径的“哈勃”和基线长100米的“地外行星搜寻者”空间望远镜，即使未来建成了基线长10千米的空间望远镜阵列，对应波长0.6微米可见光，其角分辨率也只有1.5×10-5弧秒。对4.3光年远的半人马座αB的行星，分辨率Ro≈3000千米，不能解决我们观测关心的问题。若使Ro减小到3千米，阵列基线就要长到10000千米，各子镜间信号的传输和光程差的补偿都是严重的问题，工程上极难实现。

理论基础

1979年，科学家们通过分析引力透镜事件，首次观测到位于大星系背后的类星体的图像。34年来，借助“引力透镜效应”，科学家们在探测宇宙中物质分布、研究类星体、甚至寻找太阳系外行星等方面取得了许多成果。近年来，欧、美一些科学家，把目光汇聚到我们自己的恒星——太阳的引力透镜效应，研究它在人类探测宇宙中能做些什么。马可尼博士就是这个领域里的领军人物之一，本次交流中，他详细讲解了FOCAL空间任务。其要点是：

① 关于太阳引力透镜（SGL）。在太阳上空，来自遥远天体的电磁波束，在太阳引力场的作用下偏折，一部分会聚到距离太阳550天文单位以上的焦点，这与光束被普通望远镜物镜汇聚到焦点类似，但是SGL的口径有2×106千米的量级，这样，在射电波段可以利用SGL获取银河黑洞等射电源的高分辨率射电图片。

② 如何利用SGL进行远距离双向射电通讯。 如图1所示，远航到另一个文明星球的太空船S/C2、位于太阳焦点处的太空船S/C1和太阳、文明星球的主星半人马座α四者排成一线，利用主星和太阳两个引力透镜的放大作用，就可以用很小的发射功率实现S/C2与地球的双向射电通讯信号传输。

③ 关于电磁波源被引力透镜会聚成像的角分辨率。马可尼博士确认，由衍射定律确定的电磁波源被太阳引力透镜会聚成像的角分辨率，可按以下公式计算：

θres=λ/[π2·(2z·rg)0.5] （公式二）

式中，λ：电磁波的波长；z：焦点到太阳中心距离；rg=2G·M⊙/c2（G：万有引力常数，M⊙：太阳质量，c：光速。rg是太阳的史瓦西半径，约2953米）。

图1.远航到半人马座α的飞船S/C2利用两个引力透镜实现与地球的双向通讯

北落师门b（右下角图中亮点）

获取高分辨率图像

交流中我问马可尼博士：“（公式二）是否也适用于光波？”博士回答说：“虽然公式是我根据电磁波的衍射规律，对射电波推导出来的，但是射电波和光波都是电磁波，遵循同样的衍射规律，所以对光波也是适用的。”

确认这个技术关键点以后，我便详细说明了关于“借助SGL获取太阳系外行星高分辨率光学图像”的思路。其要点是：

① 光波和射电波都是电磁波，但光波的波长更短，借助“太阳引力透镜”2×106千米量级巨大口径，它的理论分辨率就是2米口径普通望远镜的109倍，可以获取更高分辨率的信息；② 考虑日冕等对观测的影响，载着光学望远镜的飞船的理想位置将大于550天文单位（初步计算，需要770～1000天文单位）；③ 按公式一、二可以计算出：当λ=0.6微米 、z＝1000天文单位时，SGL对距离Dp的目标行星表面的理论分辨率Ro（见表1）。数据意味着：从理论上讲，借助SGL，不用远航到太阳系外32.6光年的行星近旁，就能以嫦娥二号对月球表面20米分辨力的水平实现对它的光学观测。对于4.3光年外的半人马座α三星系统的行星，如图2所示，Ro≈2.6米甚至能大体判断类似飞机从航母上离开的事件。

技术难点分析

实现光学波段FOCAL任务有两大难点：一是怎样把飞船送到与目标行星相对于太阳的对峙点（目前飞离太阳日光顶层的“旅行者”2号探测器，平均每年飞行大约3.33天文单位。对FOCAL任务，恐怕要把飞行速度提高一个多量级）；二是在交流中马可尼博士再三强调的“如何实现要求比射电波段高很多倍的光学波段望远镜高精度定位”。前者已有许多学者论述不再重复，下面初步分析第二个技术难点。

Gliese 667C的艺术概念图

图3示意了一个典型的光学FOCAL任务。与给恒星拍摄射电照片不同，因为行星P围绕主星G旋转，任务飞船X到达工作区域（z＝1000天文单位）后必须保持与P、S（太阳中心）在一条直线上，才能进行光学观测给它照相。这样，在近乎直线高速飞离太阳的同时，飞船X还要在太空围绕着主轴线GS绕圈子（即绕GS延长线上的Y运动）。为此，需要给飞船X提供一个向心力f，让它跟踪P作相似的、但是轨道矢径小得多的旋转运动。（为对f的大小有个量级概念，按图3，假设行星P绕主星G的周期1年，轨道半径＝1天文单位，利用△SGP～△SYX，计算出质量20吨飞船X环绕矢径7.5万千米轨道需要的f≈0.06牛顿。当然，随着飞船到太阳距离z的增加，f也慢慢变大）

表1

图2.FOCAL任务飞船利用望远镜给半人马座αB的行星表面景物照相示意图

图3.FOCAL任务飞船X利用太阳引力透镜跟踪行星P并对其进行光学观测照相的示意图

众所周知，地面和近地空间望远镜，可以利用GPS、北斗等导航系统，或者利用遥远天体的天文导航，实现精确的定位定向。在离地球几百至上千个天文单位的太空里，是否可以采用同样的原理解决导航定位问题呢？答案应该是肯定的。如果继续利用宇宙中那些稳定的“灯塔”（如遥远的脉冲星等），再仿照GPS建立一个太阳系定位系统（在太阳系深空布放一些起“灯塔”作用的人造装置，包括布放在轨道稳定的小行星上），问题将迎刃而解。当然这将碰到许多难题。但从工程技术角度看，实现“高精度”主要的难点，一是需要高精度的“时统”，另一个是需要“高精度、高比冲、能长期工作”的动力系统，以保持飞船X姿态并提供向心力f。目前它们的技术基础如何呢？

“时统”：2013年8月22日，美国国家标准与技术研究所宣布，已研制出镱原子钟，工作150亿年误差小于1秒（精度比GPS用的铯原子钟高500倍）。若太阳系内各“灯塔”基站、飞船X都用它计时，并用波长更短的激光传递信号，“时统”问题就有望解决了。

“动力”：小推力、高比冲电推进器（也称“离子发动机”），最可能成为FOCAL任务飞船跟踪行星的首选。1998年升空的美国“深空”1号小行星探测器，使用推力90毫牛、比冲3300秒的离子发动机，在太空连续工作了14000小时。2012年珠海航展，我国兰州物理研究所展示了LHT-100霍尔电推进器（推力4毫牛，参加了实践九号卫星在轨飞行）和LIPS-200离子电推进器（推力40毫牛，比冲3000秒）。另外，从欧洲人编写的《从现在到2020年：先进的推进系统与技术》可以查到，在“电推进器”领域研究和应用走在前列的俄罗斯中央机械制造研究所，上世纪90年代起就开始研究推力500毫牛～1500毫牛的双霍尔电推进器。继续发展电推进及其他高效、低推力技术，可以满足FOCAL任务飞船保持轨道和姿态控制、定位的动力要求。

交流结束，马可尼博士向本文作者表示祝贺

参加交流的全体人员与马可尼博士合影留念

令人鼓舞的旁证

在自然科学领域，任何理论，不管是多么有权威的学者提出来的，都必须能接受实践的检验（包括爱因斯坦广义相对论，现在还不断有人在做实验验证）。但现在把飞船送到550天文单位以外的SGL焦点去检验“在光学波段利用太阳引力透镜观测系外行星”是不现实的。那有没有可借鉴的旁证呢？在交流中，我向马可尼博士介绍了欧洲南方天文台使用口径0.6米的望远镜，对MOA 2002-BLG-33双引力透镜事件的观测结果。他们利用源恒星、两个透镜星和观测望远镜在某个时刻接近共线，引力透镜产生了极高的放大率的有利条件，根据源恒星光变曲线数十天的时间历程，反演出恒星的高分辨率像，对源恒星形状扁率测量的有效角分辨率达到0.04微弧秒（约2×10-13弧度）。而通常条件下0.6米望远镜的衍射极限仅为10-6弧度，即借助引力透镜，使观测的角分辨率提高了5×106倍！博士得知此情况后很高兴，他关于SGL角分辨率的理论公式在一定程度上得到天文观测的证实，不再是纯粹的理论公式了。自然，博士和我期待有更多的微引力透镜事件来验证这个公式。

还有一点需要指出：与通常的空间任务不同，观测行星的FOCAL任务可以持续极长的时间。由（公式二）可以看出，SGL的理论角分辨率随着飞船与太阳距离z的增加将变得越来越小，对行星的光学观测将越来越清晰。也就是说，只要部件不坏，能源供应得上，任务就可以长期继续下去。

交流结束时，我向马可尼博士表示：借助SGL，让光学望远镜在z≈1000天文单位处 “获取太阳系外行星高分辨率光学图像”，不论是价值、技术难度、可行性和总体可操作性，都比“百年星际飞船”构想的派飞船远航到4.3光年好，可能是SETI未来最有希望实现的项目。如果大家深入研究，统一认识后一起往这个目标努力，遇到的困难都可以克服。等到执行这个FOCAL任务的飞船开始观测的时候，也许大家就可以坐在家里，像身临其境一样观看转播的外星世界的风云变幻。