□ 韓厚康

本文作者與馬可尼博士

國(guó)際宇航學(xué)院太空科學(xué)探索技術(shù)部主任克勞迪奧·馬可尼博士，是國(guó)際上研究“利用引力透鏡進(jìn)行深空探測(cè)”的知名專家。今年9月21日，在中國(guó)宇航學(xué)會(huì)的精心安排下，我有幸與來(lái)北京參見第64屆國(guó)際宇航大會(huì)的馬可尼博士進(jìn)行了兩個(gè)半小時(shí)的學(xué)術(shù)交流，探討“利用太陽(yáng)引力透鏡（下簡(jiǎn)稱SGL）的‘FOCAL任務(wù)’”，我感覺茅塞頓開、受益匪淺。

課題的由來(lái)

近來(lái)，在光學(xué)波段搜尋系外行星的工作捷報(bào)頻傳：2012年10月，在距離太陽(yáng)系4.3光年的半人馬座αB恒星附近發(fā)現(xiàn)一顆質(zhì)量接近地球的類地行星；2013年6月，在距地球22光年天蝎座紅矮星Gliese 667C周圍“宜居帶”內(nèi)發(fā)現(xiàn)3顆類地巖態(tài)行星。最近又傳出一個(gè)消息：2014年10月，離太陽(yáng)系最近的比鄰星將運(yùn)行至一顆背景恒星前，當(dāng)它們與地球排列成一條直線時(shí)，人們將用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和各種手段詳細(xì)觀察分析可能出現(xiàn)的微引力透鏡事件，希望能判斷比鄰星是否有行星、是什么樣的行星。

但喜中有憂，自1971年美國(guó)、蘇聯(lián)科學(xué)院聯(lián)合召開學(xué)術(shù)會(huì)議支持“尋找地外文明”（SETI），已經(jīng)過(guò)去42年了。設(shè)置在全球多個(gè)地方強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，至今沒有發(fā)現(xiàn)任何來(lái)自外太空的人工信號(hào)痕跡。所有射向外太空的無(wú)線電波，都是“有去無(wú)回”，至今杳無(wú)音信。在光學(xué)領(lǐng)域，情況也不太樂觀。由于類地行星距離遙遠(yuǎn)、體積小、亮度低，即使用當(dāng)代最先進(jìn)的技術(shù)手段，也很難對(duì)它們做進(jìn)一步的觀測(cè)。例如，2008年11月，美國(guó)公布了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍到的首張?zhí)?yáng)系外行星北落師門b（位于南魚星座）的可見光照片，雖然其大小與木星相當(dāng)，但亮度只有主星的10億分之一，照片上只能顯示出一個(gè)亮點(diǎn)，而看不出什么細(xì)節(jié)。至于距離也是22光年（約139萬(wàn)天文單位）的類地巖態(tài)行星Gliese 667C，科學(xué)家目前只能憑想像繪出它的藝術(shù)圖。

發(fā)展的需求，促使科學(xué)家尋找進(jìn)一步觀測(cè)類地行星的新方法。下面的路怎么走呢？

本文作者向馬可尼博士介紹自己的研究成果

眾所周知，作為望遠(yuǎn)鏡能力的重要標(biāo)志的“角分辨率θresolution(簡(jiǎn)寫為θres)”，等于對(duì)遠(yuǎn)方景物的“分辨率Ro（剛好能分辨開的兩物體之間的最小間隔）”與觀測(cè)距離Dp之比（即：θres=Ro/Dp）。而θres與觀測(cè)波長(zhǎng)λ、望遠(yuǎn)鏡物鏡的口徑D（對(duì)望遠(yuǎn)鏡陣列而言是基線長(zhǎng)度）的關(guān)系是θres=1.22λ/D。由此可以得到：

從公式一可見：Dp不變時(shí)，Ro將隨望遠(yuǎn)鏡口徑D的增加而變小，遠(yuǎn)方景物顯得更清楚；而當(dāng)θres 為定值時(shí)，Ro將隨著距離Dp的增加而變大，景物變模糊。而現(xiàn)有和不久的將來(lái)可以利用的光學(xué)觀測(cè)設(shè)備，不用說(shuō)2.4米口徑的“哈勃”和基線長(zhǎng)100米的“地外行星搜尋者”空間望遠(yuǎn)鏡，即使未來(lái)建成了基線長(zhǎng)10千米的空間望遠(yuǎn)鏡陣列，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)0.6微米可見光，其角分辨率也只有1.5×10-5弧秒。對(duì)4.3光年遠(yuǎn)的半人馬座αB的行星，分辨率Ro≈3000千米，不能解決我們觀測(cè)關(guān)心的問(wèn)題。若使Ro減小到3千米，陣列基線就要長(zhǎng)到10000千米，各子鏡間信號(hào)的傳輸和光程差的補(bǔ)償都是嚴(yán)重的問(wèn)題，工程上極難實(shí)現(xiàn)。

理論基礎(chǔ)

1979年，科學(xué)家們通過(guò)分析引力透鏡事件，首次觀測(cè)到位于大星系背后的類星體的圖像。34年來(lái)，借助“引力透鏡效應(yīng)”，科學(xué)家們?cè)谔綔y(cè)宇宙中物質(zhì)分布、研究類星體、甚至尋找太陽(yáng)系外行星等方面取得了許多成果。近年來(lái)，歐、美一些科學(xué)家，把目光匯聚到我們自己的恒星——太陽(yáng)的引力透鏡效應(yīng)，研究它在人類探測(cè)宇宙中能做些什么。馬可尼博士就是這個(gè)領(lǐng)域里的領(lǐng)軍人物之一，本次交流中，他詳細(xì)講解了FOCAL空間任務(wù)。其要點(diǎn)是：

① 關(guān)于太陽(yáng)引力透鏡（SGL）。在太陽(yáng)上空，來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的電磁波束，在太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用下偏折，一部分會(huì)聚到距離太陽(yáng)550天文單位以上的焦點(diǎn)，這與光束被普通望遠(yuǎn)鏡物鏡匯聚到焦點(diǎn)類似，但是SGL的口徑有2×106千米的量級(jí)，這樣，在射電波段可以利用SGL獲取銀河黑洞等射電源的高分辨率射電圖片。

② 如何利用SGL進(jìn)行遠(yuǎn)距離雙向射電通訊。 如圖1所示，遠(yuǎn)航到另一個(gè)文明星球的太空船S/C2、位于太陽(yáng)焦點(diǎn)處的太空船S/C1和太陽(yáng)、文明星球的主星半人馬座α四者排成一線，利用主星和太陽(yáng)兩個(gè)引力透鏡的放大作用，就可以用很小的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)S/C2與地球的雙向射電通訊信號(hào)傳輸。

③ 關(guān)于電磁波源被引力透鏡會(huì)聚成像的角分辨率。馬可尼博士確認(rèn)，由衍射定律確定的電磁波源被太陽(yáng)引力透鏡會(huì)聚成像的角分辨率，可按以下公式計(jì)算：

θres=λ/[π2·(2z·rg)0.5] （公式二）

式中，λ：電磁波的波長(zhǎng)；z：焦點(diǎn)到太陽(yáng)中心距離；rg=2G·M⊙/c2（G：萬(wàn)有引力常數(shù)，M⊙：太陽(yáng)質(zhì)量，c：光速。rg是太陽(yáng)的史瓦西半徑，約2953米）。

圖1.遠(yuǎn)航到半人馬座α的飛船S/C2利用兩個(gè)引力透鏡實(shí)現(xiàn)與地球的雙向通訊

北落師門b（右下角圖中亮點(diǎn)）

獲取高分辨率圖像

交流中我問(wèn)馬可尼博士：“（公式二）是否也適用于光波？”博士回答說(shuō)：“雖然公式是我根據(jù)電磁波的衍射規(guī)律，對(duì)射電波推導(dǎo)出來(lái)的，但是射電波和光波都是電磁波，遵循同樣的衍射規(guī)律，所以對(duì)光波也是適用的?！?/p>

確認(rèn)這個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)以后，我便詳細(xì)說(shuō)明了關(guān)于“借助SGL獲取太陽(yáng)系外行星高分辨率光學(xué)圖像”的思路。其要點(diǎn)是：

① 光波和射電波都是電磁波，但光波的波長(zhǎng)更短，借助“太陽(yáng)引力透鏡”2×106千米量級(jí)巨大口徑，它的理論分辨率就是2米口徑普通望遠(yuǎn)鏡的109倍，可以獲取更高分辨率的信息；② 考慮日冕等對(duì)觀測(cè)的影響，載著光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的飛船的理想位置將大于550天文單位（初步計(jì)算，需要770～1000天文單位）；③ 按公式一、二可以計(jì)算出：當(dāng)λ=0.6微米 、z＝1000天文單位時(shí)，SGL對(duì)距離Dp的目標(biāo)行星表面的理論分辨率Ro（見表1）。數(shù)據(jù)意味著：從理論上講，借助SGL，不用遠(yuǎn)航到太陽(yáng)系外32.6光年的行星近旁，就能以嫦娥二號(hào)對(duì)月球表面20米分辨力的水平實(shí)現(xiàn)對(duì)它的光學(xué)觀測(cè)。對(duì)于4.3光年外的半人馬座α三星系統(tǒng)的行星，如圖2所示，Ro≈2.6米甚至能大體判斷類似飛機(jī)從航母上離開的事件。

技術(shù)難點(diǎn)分析

實(shí)現(xiàn)光學(xué)波段FOCAL任務(wù)有兩大難點(diǎn)：一是怎樣把飛船送到與目標(biāo)行星相對(duì)于太陽(yáng)的對(duì)峙點(diǎn)（目前飛離太陽(yáng)日光頂層的“旅行者”2號(hào)探測(cè)器，平均每年飛行大約3.33天文單位。對(duì)FOCAL任務(wù)，恐怕要把飛行速度提高一個(gè)多量級(jí)）；二是在交流中馬可尼博士再三強(qiáng)調(diào)的“如何實(shí)現(xiàn)要求比射電波段高很多倍的光學(xué)波段望遠(yuǎn)鏡高精度定位”。前者已有許多學(xué)者論述不再重復(fù)，下面初步分析第二個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

Gliese 667C的藝術(shù)概念圖

圖3示意了一個(gè)典型的光學(xué)FOCAL任務(wù)。與給恒星拍攝射電照片不同，因?yàn)樾行荘圍繞主星G旋轉(zhuǎn)，任務(wù)飛船X到達(dá)工作區(qū)域（z＝1000天文單位）后必須保持與P、S（太陽(yáng)中心）在一條直線上，才能進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)給它照相。這樣，在近乎直線高速飛離太陽(yáng)的同時(shí)，飛船X還要在太空圍繞著主軸線GS繞圈子（即繞GS延長(zhǎng)線上的Y運(yùn)動(dòng)）。為此，需要給飛船X提供一個(gè)向心力f，讓它跟蹤P作相似的、但是軌道矢徑小得多的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。（為對(duì)f的大小有個(gè)量級(jí)概念，按圖3，假設(shè)行星P繞主星G的周期1年，軌道半徑＝1天文單位，利用△SGP～△SYX，計(jì)算出質(zhì)量20噸飛船X環(huán)繞矢徑7.5萬(wàn)千米軌道需要的f≈0.06牛頓。當(dāng)然，隨著飛船到太陽(yáng)距離z的增加，f也慢慢變大）

表1

圖2.FOCAL任務(wù)飛船利用望遠(yuǎn)鏡給半人馬座αB的行星表面景物照相示意圖

圖3.FOCAL任務(wù)飛船X利用太陽(yáng)引力透鏡跟蹤行星P并對(duì)其進(jìn)行光學(xué)觀測(cè)照相的示意圖

眾所周知，地面和近地空間望遠(yuǎn)鏡，可以利用GPS、北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)，或者利用遙遠(yuǎn)天體的天文導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)精確的定位定向。在離地球幾百至上千個(gè)天文單位的太空里，是否可以采用同樣的原理解決導(dǎo)航定位問(wèn)題呢？答案應(yīng)該是肯定的。如果繼續(xù)利用宇宙中那些穩(wěn)定的“燈塔”（如遙遠(yuǎn)的脈沖星等），再仿照GPS建立一個(gè)太陽(yáng)系定位系統(tǒng)（在太陽(yáng)系深空布放一些起“燈塔”作用的人造裝置，包括布放在軌道穩(wěn)定的小行星上），問(wèn)題將迎刃而解。當(dāng)然這將碰到許多難題。但從工程技術(shù)角度看，實(shí)現(xiàn)“高精度”主要的難點(diǎn)，一是需要高精度的“時(shí)統(tǒng)”，另一個(gè)是需要“高精度、高比沖、能長(zhǎng)期工作”的動(dòng)力系統(tǒng)，以保持飛船X姿態(tài)并提供向心力f。目前它們的技術(shù)基礎(chǔ)如何呢？

“時(shí)統(tǒng)”：2013年8月22日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所宣布，已研制出鐿原子鐘，工作150億年誤差小于1秒（精度比GPS用的銫原子鐘高500倍）。若太陽(yáng)系內(nèi)各“燈塔”基站、飛船X都用它計(jì)時(shí)，并用波長(zhǎng)更短的激光傳遞信號(hào)，“時(shí)統(tǒng)”問(wèn)題就有望解決了。

“動(dòng)力”：小推力、高比沖電推進(jìn)器（也稱“離子發(fā)動(dòng)機(jī)”），最可能成為FOCAL任務(wù)飛船跟蹤行星的首選。1998年升空的美國(guó)“深空”1號(hào)小行星探測(cè)器，使用推力90毫牛、比沖3300秒的離子發(fā)動(dòng)機(jī)，在太空連續(xù)工作了14000小時(shí)。2012年珠海航展，我國(guó)蘭州物理研究所展示了LHT-100霍爾電推進(jìn)器（推力4毫牛，參加了實(shí)踐九號(hào)衛(wèi)星在軌飛行）和LIPS-200離子電推進(jìn)器（推力40毫牛，比沖3000秒）。另外，從歐洲人編寫的《從現(xiàn)在到2020年：先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)與技術(shù)》可以查到，在“電推進(jìn)器”領(lǐng)域研究和應(yīng)用走在前列的俄羅斯中央機(jī)械制造研究所，上世紀(jì)90年代起就開始研究推力500毫?！?500毫牛的雙霍爾電推進(jìn)器。繼續(xù)發(fā)展電推進(jìn)及其他高效、低推力技術(shù)，可以滿足FOCAL任務(wù)飛船保持軌道和姿態(tài)控制、定位的動(dòng)力要求。

交流結(jié)束，馬可尼博士向本文作者表示祝賀

參加交流的全體人員與馬可尼博士合影留念

令人鼓舞的旁證

在自然科學(xué)領(lǐng)域，任何理論，不管是多么有權(quán)威的學(xué)者提出來(lái)的，都必須能接受實(shí)踐的檢驗(yàn)（包括愛因斯坦廣義相對(duì)論，現(xiàn)在還不斷有人在做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）。但現(xiàn)在把飛船送到550天文單位以外的SGL焦點(diǎn)去檢驗(yàn)“在光學(xué)波段利用太陽(yáng)引力透鏡觀測(cè)系外行星”是不現(xiàn)實(shí)的。那有沒有可借鑒的旁證呢？在交流中，我向馬可尼博士介紹了歐洲南方天文臺(tái)使用口徑0.6米的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)MOA 2002-BLG-33雙引力透鏡事件的觀測(cè)結(jié)果。他們利用源恒星、兩個(gè)透鏡星和觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡在某個(gè)時(shí)刻接近共線，引力透鏡產(chǎn)生了極高的放大率的有利條件，根據(jù)源恒星光變曲線數(shù)十天的時(shí)間歷程，反演出恒星的高分辨率像，對(duì)源恒星形狀扁率測(cè)量的有效角分辨率達(dá)到0.04微弧秒（約2×10-13弧度）。而通常條件下0.6米望遠(yuǎn)鏡的衍射極限僅為10-6弧度，即借助引力透鏡，使觀測(cè)的角分辨率提高了5×106倍！博士得知此情況后很高興，他關(guān)于SGL角分辨率的理論公式在一定程度上得到天文觀測(cè)的證實(shí)，不再是純粹的理論公式了。自然，博士和我期待有更多的微引力透鏡事件來(lái)驗(yàn)證這個(gè)公式。

還有一點(diǎn)需要指出：與通常的空間任務(wù)不同，觀測(cè)行星的FOCAL任務(wù)可以持續(xù)極長(zhǎng)的時(shí)間。由（公式二）可以看出，SGL的理論角分辨率隨著飛船與太陽(yáng)距離z的增加將變得越來(lái)越小，對(duì)行星的光學(xué)觀測(cè)將越來(lái)越清晰。也就是說(shuō)，只要部件不壞，能源供應(yīng)得上，任務(wù)就可以長(zhǎng)期繼續(xù)下去。

交流結(jié)束時(shí)，我向馬可尼博士表示：借助SGL，讓光學(xué)望遠(yuǎn)鏡在z≈1000天文單位處 “獲取太陽(yáng)系外行星高分辨率光學(xué)圖像”，不論是價(jià)值、技術(shù)難度、可行性和總體可操作性，都比“百年星際飛船”構(gòu)想的派飛船遠(yuǎn)航到4.3光年好，可能是SETI未來(lái)最有希望實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目。如果大家深入研究，統(tǒng)一認(rèn)識(shí)后一起往這個(gè)目標(biāo)努力，遇到的困難都可以克服。等到執(zhí)行這個(gè)FOCAL任務(wù)的飛船開始觀測(cè)的時(shí)候，也許大家就可以坐在家里，像身臨其境一樣觀看轉(zhuǎn)播的外星世界的風(fēng)云變幻。