@ 2024.10.18 , 07:03

太阳引力透镜将是人类最强大的望远镜

太阳引力透镜可提供超高分辨率,适合观测系外行星和中子星等天体,将成为未来天文学的革命性工具。

太阳引力透镜将是人类最强大的望远镜
一个模拟地球,放在比邻星的位置,即距离太阳1.3秒差距的远方,其光线被强引力透镜聚焦到成像平面处,成像平面距离太阳650天文单位,此时成像如图,1024x1024像素分辨率

爱因斯坦的广义相对论预言了一个有趣的现象:大质量天体(如恒星、星系或黑洞)能弯曲光线,从而产生引力透镜效应。这意味着来自遥远天体的光可以被近处的物体放大,成为一种“天然望远镜”,让我们观察到极远处的天体。如今,天文学家已经利用这种方法观测到了宇宙中最遥远的星系。不过,他们还有更近的计划:利用太阳的引力作为透镜来研究附近的系外行星。

这个想法是通过太阳的引力聚焦来自系外行星的光,形成焦点,距离大约在550到850天文单位之间(1天文单位是地球到太阳的距离)。理论上,我们可以在这个距离放置一个或多个望远镜,从而构建一个相当于太阳大小的望远镜,这将让我们在100光年外看到10平方公里的细节。

目前,最远的太空探测器是旅行者一号,距离太阳约160天文单位。因此,虽然太阳引力透镜的实现还很遥远,但这个项目并不需要科幻中的技术或全新物理学,只需要强大的工程能力。即使到了那时,另一个挑战是如何处理大量数据,来组装成清晰的图像。就像现在的射电望远镜一样,这种望远镜并不能一次性捕捉一张完整的图像,需要对太阳如何聚焦光线有深入的理解。

太阳引力透镜将是人类最强大的望远镜
太阳能透镜的衍射效应。

不过,没有望远镜是完美的。光学望远镜的一个局限是衍射效应。当光波通过望远镜的透镜时,聚焦效果会让光波相互干扰,导致图像出现模糊和失真,这就是所谓的衍射极限。虽然引力透镜望远镜有所不同,但它也有衍射效应和极限。

最近发表在《皇家天文学会月刊》上的一项研究,模拟了太阳引力透镜如何影响来自系外行星等扩展天体的图像。他们发现,这种望远镜可以探测到来自比邻星b(约4光年外)的一瓦激光信号。此外,研究表明衍射极限远小于望远镜的整体分辨率,具体细节可达10公里到100公里不等,取决于观测的波长。即使在衍射极限以下,仍然有值得研究的天体,例如虽然中子星太小无法看到表面细节,但可以研究其表面温度变化。

这项研究表明,系外行星和中子星将成为太阳引力透镜的强劲观测目标,未来这种望远镜将为天文学家带来革命性的工具。

本文译自 phys.org,由 BALI 编辑发布。

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