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新技术将拍摄类地行星

在这张由喷气推进实验室高对比度成像试验台拍摄的480张图像序列拍摄的图像中,三颗模拟行星——一颗像木星一样亮,一半像木星一样暗,一颗像地球一样暗——清晰可见。一种从太空天文学中借来的滚动减法技术被用来从背景光中区分行星。星号表示系统模拟恒星的位置。

美国国家航空航天局的研究人员现在发现,为拍摄遥远的类地行星而开发的新技术确实有效。

尽管到目前为止,科学家们已经探测到200多个外星世界,但还没有人探测到像地球一样的系外行星。到目前为止,看到的大多数系外行星的质量是地球的5到4000倍,要么太热,要么太冷,要么太像一个巨大的气体行星,不可能被认为是生命的栖息地。

成像类地系外行星是一项艰巨的挑战,因为这些相对较小的星球反射的昏暗星光很容易被它们更大、更亮的母恒星的眩光所压倒。现在,位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美国国家航空航天局喷气推进实验室的两位天体物理学家设计出了可以克服这种眩光的新技术,使未来的太空望远镜能够拍摄到比其轨道上的恒星暗100亿倍的类地系外行星的照片。

挑战

所有望远镜在试图对系外行星成像时面临的两个关键障碍是衍射光和散射光。资深研究科学家约翰·特劳格和韦斯利·特劳布设计的系统被称为高对比度成像试验台,它借助模糊的条形码和灵活的镜子来处理这些障碍。

特劳布在接受太空网采访时表示,当星光照射到望远镜用来收集光线的主镜边缘时,它会衍射产生一种环形或尖峰图案,“可以隐藏一些可怜的小行星”。研究人员用恒星日冕仪解决了这个问题,这是一种类似于太阳日冕仪的简单设备,可以阻挡来自太阳的所有直射光线,以便更好地观察日冕。

恒星日冕仪由过去五年开发的两个“面具”组成。第一个掩模类似于一个模糊的条形码,以望远镜聚焦的恒星图像为中心。这个特定的条纹集合衍射恒星的光,将其转向第二个掩模的一侧,这个孔通向一个不透明的薄片,可以抑制这种眩光。特劳布说,穿过这些遮罩的光线来自望远镜视野中心附近,“希望来自任何轨道行星”。

特劳格补充道:“这至少比以前证明的要好一千倍。”

条形码掩模由透明玻璃上的深色玻璃条纹组成,最擅长阻挡红光,但不擅长抑制其他颜色。研究人员正在开发一种带有金属条纹的口罩,有望阻挡星光中的其他可见波长。特劳格说,这将使望远镜能够全彩色观察系外行星,使天文学家能够了解其大气层的关键细节,“比如它们是否有氧气”。

除了衍射光的问题外,望远镜反射镜上的微小波纹也会散射光,产生“斑点”或恒星向一侧移动的微弱副本,也会遮挡行星。为了解决这个问题,研究人员在过去九年里开发了一种大硬币大小的可变形镜——一种32毫米乘32毫米见方的150微米厚的柔性玻璃,带有反射涂层。

在这个镜子后面是一组32乘32的计算机控制的活塞,每个活塞都可以向上或向下移动几十皮米或万亿分之一米以下的镜子。这些细微的改动可以弥补望远镜的微小缺陷。研究人员指出,一个更大的镜子和更多的活塞将被证明在抑制斑点方面更好。

模拟解决方案

研究人员在实验室中成功地展示了这些技术,使用激光作为模拟恒星,将该恒星的三个较暗的副本作为假行星——一个与木星一样亮,一个与地球一样暗。4月12日出版的《自然》杂志详细介绍了这些模拟行星的发现。

特劳布说,该系统“今天真的可以放在太空望远镜上”。研究人员的目标是让它登上陆地行星探测器,不幸的是,由于资金不足,该探测器目前没有发射日期。

特劳布说:“我们对较小的太空任务感兴趣,这些任务的规模和效率不如全尺寸的地球行星探测器,但仍然可以搭载我们的系统,并告诉你附近的行星。”

目前计划于2008年10月发射的开普勒任务可以探测到地球大小的系外行星,但不会对其进行拍照。开普勒将观察恒星的定期变暗,这可能表明系外行星正在它们前面凌日。然而,这样的过境被认为是罕见的。开普勒任务首席研究员William Borucki解释说,在任务希望观察的大约10万颗类太阳恒星中,他们预计只会发现500到1000个地球大小的世界。


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