係外行星探索

係外行星探索（下）遮星技術

到太陽係外去尋找類似我們地球一樣的係外行星是天文學家常年不懈的追求。2009年發射升空的開普勒太空望遠鏡是人類探索係外行星的重大裏程碑，該望遠鏡對銀河係內10萬多顆恒星進行觀察探測，希望在它們周圍尋找到有可能存在生命的類地行星。幾年來，開普勒太空望遠鏡取得了驚人的成果，迄今為止已經發現了上千顆運行在宜居軌道上的類地係外行星[1]。但是所有這些係外行星都是是通過間接測量分析得到的，直接觀察和拍攝到係外行星的例子幾乎一個也沒有，因為它們離開地球實在太遙遠了，距離太陽係最近的恒星在4.2光年之外（相當於399233億公裏），離開我們幾十光年的星係都算是我們的近鄰了。

係外行星與母恒星的間距比起它們與地球之距離實在微不足道，因之從地球上來看它們幾乎就是緊貼在一起的。恒星是高溫發光星體，而岩質類行星隻有反光，亮度僅為身旁恒星的十的負十次方而已。因此直接觀察係外行星幾乎沒有可能，我們仰望夜空，看到的幾乎都是恒星。同樣道理，如果從係外行星觀察我們太陽係，看到的也隻是我們的太陽，也是無法直接觀察到我們地球的，外星人發現我們地球的機會幾乎為零，除非他們技高一等。所以絕對不能讓外星人上科學網偷看本文，千萬別讓他們用遮星技術搶先窺視我們地球，拜托諸位了，嘿嘿。

為了直接觀察係外行星，NASA組織了美國的軍工企業和幾所高校正在開發遮星技術（Starshade）。這種技術的道理很簡單，就是用物體遮擋恒星的光芒，以便觀察其周圍的行星，其想法與太陽下拍照給鏡頭帶上遮光罩有相通之處。隻要看一眼圖1就明白了。

P1）遮星技術示意圖

遮星技術雖然沒有深奧抽象的理論，但是工程的實施卻麵臨一係列的問題，挑戰主要來自三方麵，先易後難逐一介紹如下。

1）遮星體直徑近四十米，隻能先壓縮並折疊成園拄狀送入太空，到達工作位置後才逐步展開恢複原狀，見圖2。由於遮星效果高度決定於遮星體的尺寸和形狀（這點下麵還會解釋），所以這個問題也有一定難度。

P2）遮星體送入太空後結構伸展示意圖

2）要使三萬公裏外直徑才四十米的園盤始終保持在太空望遠鏡的延長軸上，這對遮星設備和太空望遠鏡在空中的位置姿態控製帶來極大挑戰[2]。

3）遮星體的形狀為什麽不是一個園盤，細心的讀者看了圖1後一定會覺得奇怪，為什麽園盤周邊有許多花瓣？遮星體的特殊形狀是為了把光源在它背後的光線強度抑製到最低，這是遮星技術的核心部份，這種技術又被稱為星光抑製技術（starlight suppressor）[3]。

使用園盤的遮光效果會因光波的繞射效應而大打折扣。隻要回顧一下光學課程中提到的【泊鬆光斑】現象就能理解了。從圖3中可以看到光波在園盤周邊引成繞射，並在暗影中心疊加產生明亮的光斑（即泊鬆光斑），光斑的鄰近區域中也有一圈圈的光紋。光波的繞射效應使得遮光園盤後的投影區內不是漆黑一片，數值計算顯示園盤對光源的亮度抑製很難做到十的負四次方以下。

P3）光線繞射因成泊鬆光斑的示意圖，圖下部是光亮度沿陰影區直徑的分布曲線。

要大幅提高光度抑製率就必須在光波繞射上做文章。光波繞射是光波衍射（Light diffraction）的一種形態，由光的波動本性所決定。光的波動本性是無法改變的，唯一的辦法是認清它的本質，因勢利導，讓繞射的光波在某個平麵上盡可能的互相抵消。遮星板的特殊形狀就是經模似計算出來的結果，估計光度抑製可以達到十的負十次方！為此直徑達四十米的遮星板的幾何尺寸精度要控製在毫米級以下，這對遮星板的材料和空間裝配等技術都帶來嚴酷的挑戰。

遮星技術劍指恒星，意在係外行星，因為隻有岩質類行星和它們的衛星才會有外星生物存在的可能，直接觀察這些係外行星是尋找外星生命的必要手段。高等生物和大規模的生物活動必定會影響生態環境，從環境變化的蜘絲馬跡中去尋找生命的跡象。尋找類地球係外行星和外星人有著重要的科學意義，也牽動著人類的心理需求，必竟在茫茫星空中至今隻有我們這顆星球存在生命讓我們備感孤獨和無奈。遮星技術無疑將為我們尋找外星人帶來新的希望。

遮星技術的開發正在穏步向前邁進，經過方案論證，模型建立和數值模似後，有關研究部門已經製成小尺寸遮星實物，並用實物在加州沙漠的夜晚和地麵天文台做了實驗。採集到的數據正在進一步分析並用以修正模型。

P4）遮星實物小樣在加州沙漠的夜晚中經受測試

P5）遮星實物小樣在亞利桑那的天文台經受測試

遮星設備可能會與NASA新的空間望遠鏡WFIRST（Wide-Field Infrared Survey Telescope）在2025年左右一起發射升空，這是NASA探測係外行星、暗物質宏大計劃的重要組成部分。遮星技術將在該項目中接受現場測試和考驗，進一步修改調整後的設備預計會在本世紀三十年代中送入太空正式執行任務，也許到時真會拍攝到像我們地球一樣適合人類居住的係外行星。我可能是等不到那一天了，不過我在科學網上的許多好友們、博主們和我的讀者們一定有機會等來振奮人心的好消息，那時不知有誰會記得科學網上首次介紹遮星技術的徐某人。有心者不妨把下麵的詩一首複貼於記事本上，屆時記得發篇博文告知我一下，先謝過了。

死去元知萬事空，但悲不見行星蹤。

遮星項目功成日，網祭無忘告乃兄。

P6）遮星技術的效果示意圖，發現兩顆係外行星！

[1]據美國宇航局網站消息，北京時間2015年7月24日淩晨，天文學家確認發現首顆位於“宜居帶”上體積最接近地球大小的係外行星（代號為“開普勒-452b”），這是人類在尋找另一顆地球的道路上的重要裏程碑。“開普勒-452b”的發現使已確認係外行星的數量增加到1030顆。所謂宜居帶是恒星周圍適合於水存在的一片溫度適宜的區域，在這種溫度下的行星表麵可能會有水池存在。

[2]遮星體到天空望遠鏡的距離必須足夠大，隻是被係外星與其母恒星的間距遠遠小於它們到地球的距離所決定的，也可以認為被它們極小的視角所決定的。由此不難推算，遮星技術的適用範圍僅為近太陽係的係外行星，距離我們不超過一百光年。

[3]遮星技術隻是星光抑製技術的一種，與它競爭的另一技術是Coronagraph，這是用於天文望遠鏡內部的一種技術，這種技術早已有之，較易實現。但遮星技術對星光抑製效果更好，而且獨立於望遠鏡，可以服務於各類空天望遠鏡。

 

係外行星探索（上）發現超級土星光環