地球望遠鏡示意圖，左側為被觀測的星體，右側航天器為觀測設備。圖片來源：James Tuttle Keane/California Institute of Technology

撰文 戚譯引

審校 哈爾濱工業(yè)大學（深圳），李會超 博士

觀看從太空拍攝的地球照片，我們會看到一個斑駁的深藍色球體，外層包裹的云層如同流動的白色大理石斑紋。然而在天文學家大衛(wèi)·基平（David Kipping）的眼中，這是一個直徑 1.3 萬千米的超大號透鏡，用它“做”成的望遠鏡將把更遠的太空、更暗淡的星體帶到我們眼前。

基平是哥倫比亞大學天文學助理教授，主要從事太陽系外行星研究，曾經(jīng)參與過第一顆地外行星的衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)。在最近發(fā)表的一篇論文中，基平介紹了這個聽起來有點瘋狂的想法，引起了學界和媒體的關注。同行們表示這個計劃的細節(jié)還需要進一步完善，但是它已經(jīng)有了一個好的開始。

這個想法背后的原理并不復雜。中學物理課告訴我們，光線在兩種介質的交界處會發(fā)生折射，這就是透鏡的工作原理。同樣，當光線從太空進入大氣層，然后再離開大氣層進入太空，這個過程中也會發(fā)生折射。所以，如果在太空中觀測，大氣層就構成了一個透鏡，我們可以透過它看到遠處的物體。

基平的這個想法源于 13 年前對“綠閃”現(xiàn)象的研究。綠閃（green flash）是在日出日落的過程中，太陽幾乎完全隱沒在地平線之下時出現(xiàn)的一道短暫而罕見的綠光。以往的研究證明這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是因為大氣折射。光的折射率和波長有關，當太陽剛好處在地平線下面某個位置的時候，其他波長的光在折射和散射過程中損失了，只有綠色的光能夠傳播出來，并且能被人眼感知，在合適的條件下就形成了綠閃現(xiàn)象?；竭€推測，這時候如果在太空中合適的位置進行觀測，就能看到整整一圈綠光包裹著地球。

綠閃現(xiàn)象。圖片來源：Wikipedia

綠閃現(xiàn)象說明，大氣折射雖然微弱，卻足以對天文觀測造成影響。舉例來說，來自某顆遙遠星球的光，一部分從北極上方經(jīng)過，離開大氣層時向下發(fā)生彎折；另一部分從南極下方經(jīng)過，離開大氣層時向上發(fā)生彎折。這些光線將在“大氣層透鏡”的焦點位置再次匯聚，形成一個像。

基平將這個設想命名為“地球鏡”（Terrascope）。根據(jù)他的計算，這面“地球鏡”相當于一臺等效口徑 150 米的望遠鏡，能夠將物體的亮度放大 22500 倍，從而捕獲極其微弱的光線；只要將一面直徑 1 米的鏡面發(fā)射到月球附近的位置，就能接收到由地球大氣形成的像，找到遙遠的行星甚至小行星。

“地球鏡”的設想還受到了另一個更大膽的計劃的啟發(fā)，那就是“巨大天文望遠鏡”（Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens），簡稱 FOCAL 計劃，要把太陽當成透鏡進行天文觀測。

太陽沒有地球那樣透明而平靜的大氣層，但它有另一個讓光線彎曲的法寶，那就是巨大的引力。廣義相對論認為引力場會使光線發(fā)生彎曲，后來愛丁頓的日食觀測實驗驗證了這一預言。愛因斯坦還指出，由于光線的彎折，我們可以看見那些位于大型天體后方的物體，這就是所謂的引力透鏡。

哈勃望遠鏡拍攝的引力透鏡現(xiàn)象。在聚集的多個星系（圖片中央）的作用下，同一顆類星體產(chǎn)生了 5 個不同的像（周圍白色亮點）。圖片來源：NASA, ESA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)

后來的物理學家們也對這個想法進行了一些研究。到 1993 年，意大利天文學家克勞迪奧·馬可尼（Claudio Maccone）向歐洲航天局（ESA）提交了一份詳盡的 FOCAL 計劃。但是就目前的技術而言，這個計劃實在不太可行——要想接收太陽引力透鏡形成的像，需要把探測器架在離太陽 550 個天文單位（即地球到太陽的平均距離，約等于 1.5 億千米）之外的地方，比太陽到冥王星的距離還要遠。

縱觀歷史，光學望遠鏡總在追求更大的口徑，以實現(xiàn)更高質量的成像。但是制造大口徑光學望遠鏡非常困難。建造中的歐洲極大望遠鏡（E-ELT）將成為全球最大的光學望遠鏡，它的口徑也“僅有”40 米。

為了保證成像質量，光學望遠鏡對鏡面的平滑和清潔程度要求極高，大型望遠鏡通常由多個鏡片拼接而成?；皆谡撐闹兄赋?，隨著口徑的增加，光學望遠鏡的建造成本以平方的幅度增長。例如計劃在夏威夷群島建造的三十米望遠鏡（TMT），它的預算達到 20 億美元；如果用同樣的技術建一臺口徑 100 米的望遠鏡，預算將達到 350 億美元，那是個真正的天文數(shù)字。

TMT 藝術效果圖。圖片來源：Wikipedia

而且，如果要把望遠鏡發(fā)射到太空，那么“運費”又是一筆開支。計劃 2021 年發(fā)射升空的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）被視為哈勃太空望遠鏡的繼任者，它口徑 6.5 米，預算已經(jīng)達到 88 億美元。高昂的預算導致 JWST 項目被一再推遲，美國航空航天局（NASA）同時期的其他項目也受到波及，面臨資金短缺、項目推遲甚至被取消的風險。

基平認為自己的計劃在成本上有著巨大的優(yōu)勢，他只需要造一臺直徑 1 米的探測器，然后把它送上太空中離地球約 36 萬千米的地方，比月球還要近一些。在開展計劃之前，他還可以通過“立方星”（CubeSat）初步檢驗一下這個想法，那是一種模塊化的微型衛(wèi)星，人一只手就能托住，成本也非常低廉。

光學望遠鏡主要觀測宇宙中的可見光，如果安裝相應的傳感器，也能觀測紅外線、紫外線。著名的哈勃太空望遠鏡已經(jīng)工作了近三十年，拍攝了大量遙遠的星系。而我國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）巡天七年，發(fā)布了上千萬條光譜信息，為銀河系的結構和演化、恒星的物理性質等方向的研究提供了豐富的數(shù)據(jù)。