用太陽作“巨型透鏡”，有望看清系外行星清晰面目

有朝一日，人類能否觀測到遙遠類地行星上的大陸、海洋和極地冰蓋？即便是一張10×10像素的圖像也幾乎難以實現——根據上近日在線公布的預印本論文，要生成這樣的圖像，需要一臺主鏡直徑達160公里的太空望遠鏡。部署小型空間望遠鏡群，或在地球、月球表面協同運作的龐大儀器陣列同樣不可行——它們需要數百年才能收集足夠的光子。但論文提出了一種可行方案：利用太陽作為巨型透鏡，通過引力聚焦光線。

通過在太陽透鏡焦點處部署數臺配備1米鏡面的空間望遠鏡，天文學家可捕捉到800×800像素的系外行星高清圖像，清晰度不僅能呈現海洋，還能捕捉到地球上象征光合作用等生物活動的綠色色調。

然而，一個關鍵問題是，該焦點距離太陽的距離是地球到太陽距離的550倍——相當于美國美國航空航天局（NASA）“旅行者1號”近50年在太陽系外空間航程的3倍。不過論文作者、NASA噴氣推進實驗室的Slava Turyshev認為，借助大型薄型太陽帆推進技術，可將航程縮短至25年。為此，他正在建造一艘航天器來驗證這一設想。

他說：“在我們有生之年，我們就能觀測到系外行星，并能夠確認或否定是否存在與地球生命類似的生命形式。”

星系或星系群能夠通過引力使更遙遠的物體的光線發生彎曲并得到放大。利用太陽作為引力透鏡的構想已存在數十年之久。1993年，意大利天文學家Claudio Maccone向歐洲航天局提出了這一任務的建議，但未被采納。10年前，W.M.凱克空間研究所重新提出了這一想法，Turyshev等人獲得了NASA的資助，以進行更深入研究。

NASA格倫研究中心的Geoffrey Landis在2015年的一項研究中指出，太陽透鏡無法呈現目標行星的清晰圖像，它會將圖像拉伸并暈染成直徑可能超過1公里的“愛因斯坦環”。因此，望遠鏡需在太陽的焦點區域移動以捕捉環狀結構的各個部分。更復雜的是，由于系外行星繞其恒星運行及恒星相對于太陽的運動，該環將持續移動。在地球上，研究人員必須想辦法將環狀結構還原為真實圖像，并消除行星光線穿過太陽大氣層時造成的模糊現象。Landis表示：“這些都是難題，但都是可解決的。”

Turyshev指出，最大的技術挑戰在于如何在合理時間內將望遠鏡送達遙遠的觀測點。“星艦”等巨型火箭雖能提供強勁初始推力，卻無法實現高速飛行所需的持續加速力。核動力推進技術至今尚未實現。他表示，唯一的選擇是采用輕質太陽能帆，這種裝置由有鋁膜涂層的薄塑料片構成，能夠捕捉來自太陽的微弱光子壓力。

在某慈善基金會的資助下，Turyshev團隊正研發名為“Sundiver”的驗證航天器。該航天器由標準的10厘米立方體衛星模塊構成，總重不足10公斤。2027年發射后，它將展開6片扇形太陽能帆板，每片面積達20平方米且可單獨控制，從而實現轉向。航天器將掠過太陽表面獲得引力加速度，再加上帆面收集的推力，將以每秒33公里的速度飛出太陽系，這相當于“旅行者1號”速度的兩倍。即便是這樣的速度，仍需近80年才能抵達太陽焦點。

“要獲得理想的加速度，必須大幅增加帆面面積。”曾參與NASA相關概念研究的NASA馬歇爾航天飛行中心前首席技術專家Les Johnson說。Turyshev表示，整個任務有望在2034年前實現，屆時將部署6艘配備雙倍帆面的航天器，飛行速度也將提升3倍。航天器后續將展開薄膜反射鏡，兼作激光通信接收器。 

任務還需選擇一個合適的目標。望遠鏡每次僅觀測一個行星系統，若要轉向其他系統，航天器需橫向移動很遠的距離。因此，規劃者必須百分之百確信所選的系外行星具備適宜生命存在的首要條件，即大氣中存在與生物過程密切相關的氣體。這可能導致任務延期：要在類地行星上尋找生命跡象，可能需要依賴NASA計劃中的“宜居世界觀測站”，而該設備最早要到本世紀40年代才能發射。