系外行星探索

系外行星探索（下）遮星技术

到太阳系外去寻找类似我们地球一样的系外行星是天文学家常年不懈的追求。2009年发射升空的开普勒太空望远镜是人类探索系外行星的重大里程碑，该望远镜对银河系内10万多颗恒星进行观察探测，希望在它们周围寻找到有可能存在生命的类地行星。几年来，开普勒太空望远镜取得了惊人的成果，迄今为止已经发现了上千颗运行在宜居轨道上的类地系外行星[1]。但是所有这些系外行星都是是通过间接测量分析得到的，直接观察和拍摄到系外行星的例子几乎一个也没有，因为它们离开地球实在太遥远了，距离太阳系最近的恒星在4.2光年之外（相当于399233亿公里），离开我们几十光年的星系都算是我们的近邻了。

系外行星与母恒星的间距比起它们与地球之距离实在微不足道，因之从地球上来看它们几乎就是紧贴在一起的。恒星是高温发光星体，而岩质类行星只有反光，亮度仅为身旁恒星的十的负十次方而已。因此直接观察系外行星几乎没有可能，我们仰望夜空，看到的几乎都是恒星。同样道理，如果从系外行星观察我们太阳系，看到的也只是我们的太阳，也是无法直接观察到我们地球的，外星人发现我们地球的机会几乎为零，除非他们技高一等。所以绝对不能让外星人上科学网偷看本文，千万别让他们用遮星技术搶先窥视我们地球，拜托诸位了，嘿嘿。

为了直接观察系外行星，NASA组织了美国的军工企业和几所高校正在开发遮星技术（Starshade）。这种技术的道理很简单，就是用物体遮挡恒星的光芒，以便观察其周围的行星，其想法与太阳下拍照给镜头带上遮光罩有相通之处。只要看一眼图1就明白了。

P1）遮星技术示意图

遮星技术虽然没有深奥抽象的理论，但是工程的实施却面临一系列的问题，挑战主要来自三方面，先易后难逐一介绍如下。

1）遮星体直径近四十米，只能先压缩并折叠成园拄状送入太空，到达工作位置后才逐步展开恢复原状，见图2。由于遮星效果高度决定于遮星体的尺寸和形状（这点下面还会解释），所以这个问题也有一定难度。

P2）遮星体送入太空后结构伸展示意图

2）要使三万公里外直径才四十米的园盘始终保持在太空望远镜的延长轴上，这对遮星设备和太空望远镜在空中的位置姿态控制带来极大挑战[2]。

3）遮星体的形状为什么不是一个园盘，细心的读者看了图1后一定会觉得奇怪，为什么园盘周边有许多花瓣？遮星体的特殊形状是为了把光源在它背后的光线强度抑制到最低，这是遮星技术的核心部份，这种技术又被称为星光抑制技术（starlight suppressor）[3]。

使用园盘的遮光效果会因光波的绕射效应而大打折扣。只要回顾一下光学课程中提到的【泊松光斑】现象就能理解了。从图3中可以看到光波在园盘周边引成绕射，并在暗影中心叠加产生明亮的光斑（即泊松光斑），光斑的邻近区域中也有一圈圈的光纹。光波的绕射效应使得遮光园盘后的投影区内不是漆黑一片，数值计算显示园盘对光源的亮度抑制很难做到十的负四次方以下。

P3）光线绕射因成泊松光斑的示意图，图下部是光亮度沿阴影区直径的分布曲线。

要大幅提高光度抑制率就必须在光波绕射上做文章。光波绕射是光波衍射（Light diffraction）的一种形态，由光的波动本性所决定。光的波动本性是无法改变的，唯一的办法是认清它的本质，因势利导，让绕射的光波在某个平面上尽可能的互相抵消。遮星板的特殊形状就是经模似计算出来的结果，估计光度抑制可以达到十的负十次方！为此直径达四十米的遮星板的几何尺寸精度要控制在毫米级以下，这对遮星板的材料和空间装配等技术都带来严酷的挑战。

遮星技术剑指恒星，意在系外行星，因为只有岩质类行星和它们的卫星才会有外星生物存在的可能，直接观察这些系外行星是寻找外星生命的必要手段。高等生物和大规模的生物活动必定会影响生态环境，从环境变化的蜘丝马迹中去寻找生命的迹象。寻找类地球系外行星和外星人有着重要的科学意义，也牵动着人类的心理需求，必竟在茫茫星空中至今只有我们这颗星球存在生命让我们备感孤独和无奈。遮星技术无疑将为我们寻找外星人带来新的希望。

遮星技术的开发正在穏步向前迈进，经过方案论证，模型建立和数值模似后，有关研究部门已经制成小尺寸遮星实物，并用实物在加州沙漠的夜晚和地面天文台做了实验。採集到的数据正在进一步分析并用以修正模型。

P4）遮星实物小样在加州沙漠的夜晚中经受测试

P5）遮星实物小样在亚利桑那的天文台经受测试

遮星设备可能会与NASA新的空间望远镜WFIRST（Wide-Field Infrared Survey Telescope）在2025年左右一起发射升空，这是NASA探测系外行星、暗物质宏大计划的重要组成部分。遮星技术将在该项目中接受现场测试和考验，进一步修改调整后的设备预计会在本世纪三十年代中送入太空正式执行任务，也许到时真会拍攝到像我们地球一样适合人类居住的系外行星。我可能是等不到那一天了，不过我在科学网上的许多好友们、博主们和我的读者们一定有机会等来振奋人心的好消息，那时不知有谁会记得科学网上首次介绍遮星技术的徐某人。有心者不妨把下面的诗一首复贴于记事本上，届时记得发篇博文告知我一下，先谢过了。

死去元知万事空，但悲不见行星踪。

遮星项目功成日，网祭无忘告乃兄。

P6）遮星技术的效果示意图，发现两颗系外行星！

[1]据美国宇航局网站消息，北京时间2015年7月24日凌晨，天文学家确认发现首颗位于“宜居带”上体积最接近地球大小的系外行星（代号为“开普勒-452b”），这是人类在寻找另一颗地球的道路上的重要里程碑。“开普勒-452b”的发现使已确认系外行星的数量增加到1030颗。所谓宜居带是恒星周围适合于水存在的一片温度适宜的区域，在这种温度下的行星表面可能会有水池存在。

[2]遮星体到天空望远镜的距离必须足够大，只是被系外星与其母恒星的间距远远小于它们到地球的距离所决定的，也可以认为被它们极小的视角所决定的。由此不难推算，遮星技术的适用范围仅为近太阳系的系外行星，距离我们不超过一百光年。

[3]遮星技术只是星光抑制技术的一种，与它竞爭的另一技术是Coronagraph，这是用于天文望远镜内部的一种技术，这种技术早已有之，较易实现。但遮星技术对星光抑制效果更好，而且独立于望远镜，可以服务于各类空天望远镜。

 

系外行星探索（上）发现超级土星光环