 《三思科学》电子杂志
2002年第3期 总第9期
2002年3月1日
目 录
封面
封面故事
[石青]倾斜的桂冠
新闻
[毛磊]不必对人造子宫大惊小怪
[春上莱茵早]冬日里的绿色
[春上莱茵早]物质世界里的反物质
[春上莱茵早]冰冷月亮温柔心
[碧声]我是一只克隆猫
[柯南]电子垃圾入侵中国
[柯南]正在消失的战舰
[柯南]简讯
求知
[方舟子]性与死的统一
[九歌]保护鸟类就是保护环境
[九歌]谈谈动物地理区划
[落雪]生命的旋梯
[奇云]揭开登革热的面纱
[李淼]弦论通俗演义(六)
弦论通俗演义(七)
弦论通俗演义(八)
弦论通俗演义(九)
译述
科学美国人：隐士与狂人
科学美国人：电视瘾并非隐喻
自然：行星的肖像
怪物背后的数学
观点
[赵南元]不可妄称“人类”
[赵南元]爱动物与爱吃动物
[韩雪涛]为柯云路把把脉
历史
[刘兵]梅·萨顿的一首纪念其
父亲的诗
书评
[柯南]新书介绍
[逍遥]读《枪炮、病菌与钢铁》
[逍遥]外行看热闹之也谈《美
丽心灵》
[张九庆]《自牛顿以来的科学
家》序
[刘华杰]天体力学、动力系统和
非线性动力学——读《天遇》
辨伪
[磊禅师]"都灵裹尸布之谜"真相
[方舟子]血型的科学、坏科学、
伪科学和迷信
网络
科普网站推荐
版权声明·订阅与投稿须知
三思科学杂志社
本期责编 碧声
下期责编 异调
三思科学网站
©2002,All Rights Reserved.
|
 |
行星的肖像
 Tony Reichhardt
柯南译自Nature 415, 570 - 571 (2002)
|  |
太阳系外行星的名单每周都在增加。感谢新的技术，不久以
后我们就能得到一大批这些行星的照片。Tony Reichhardt 为您
报道。
当第一颗围绕类似太阳的恒星运行的行星被发现之后，当时
的NSAS局长Dan Goldin发出了一项号召。1996年，在德克萨斯州
圣安东尼奥美国天文学会举行的一次会议上，他号召一群科学家
在25年内找到一种方法，以拍摄绕附近恒星运行的类地尺寸行星
的照片，分辨率足以能够使人看清海洋、云、大陆和山脉。“如
果那还不能让你心情激动，”Goldin补充说，“我不知道还能有
什么。”
心有余，而力不足。Goldin肯定知道令人畏缩的技术难题。
一颗绕类似于我们的太阳的恒星运转的类地尺寸的行星可能会消
失在恒星的光辉中，后者比前者亮100亿倍。即使是木星尺寸的
行星也比它所绕行的行星暗淡1亿倍。
但是最好的太空照相机只能拍摄对比度为1百万比1的图像。
拍摄海洋或山脉更是没有可能，很多天文学家对在可预见的将来
拍摄哪怕是最粗糙的太阳系外行星照片的可行性表示怀疑。
时光飞逝，六年后，上个月在华盛顿州召开了美国天文学会
的年会。太阳系外行星搜索变得引人注目。人们已经发现了75颗
行星，这个名单每周都在增长。从前这样的议程不登大雅之堂，
而现在对于太阳系外行星的讨论进入了最高级的会议。感谢望远
镜设计的最新概念，对于造价合理的望远镜的严肃讨论表明，在
5、6年内这样的望远镜就能提供木星尺寸行星的第一张可见光照
片。
Goldin要求的外星海洋照片目前还是不可能任务，但是很快
就能拍摄到木星尺寸行星的第一张可见光照片，甚至比想象的还
乐观。
消除误差
地面望远镜已经能够使用红外线拍摄褐矮星的照片——介于
行星和恒星尺寸之间的天体——褐矮星和它的恒星在亮度上的差
别不太明显。 在上个月美国天文学会的会议上，夏威夷大学的
Michael Liu展示了一张在距离恒星14天文单位上运行的行星的照片。
但是拍摄木星尺寸行星的照片需要新的太空望远镜，以及高
级的成像技术。这样的进步正在进行，感谢日冕仪的发展——一
种遮盖不想要的光线的技术——以及用来制造望远镜反射镜技术
的进步。
传统的遮光手段是在望远镜孔径中央放置一个不透光的碟形
物，或者有选择的“雾化”望远镜反射镜的区域，使它不能够反
射恒星的光。但是被孔径边缘衍射的光线，以及被不完美的镜面
散射的光线悄悄混进了照片中，产生的背景辉光使行星变得模糊。
马萨诸塞州剑桥市Harvard-Smithsonian天体物理中心的
Peter Nisenson和哈佛大学的Costas Papaliolios不使用遮光碟，
他们希望通过使用方形孔径解决这个问题（见P. Nisenson & C.
Papaliolios Astrophys. J. 548, L201–L205; 2001）。与圆
孔径产生的环形衍射图样不同的是，方形孔径产生的是十字形图
样，通过旋转可以把行星的图像调整到明亮的十字区域之外的暗
区。
这一系统的改良版本正是太阳系外行星成像仪（ESPI）的核
心，这一空间望远镜是由Gary Melnick向NASA提议建造的，他也
在Harvard-Smithsonian天体物理中心工作。望远镜由航天飞机送入
地球轨道，它将使用1.5米的方孔径对超过160颗与太阳年龄类似
的恒星长时间曝光。Melnick说，这样的系统能够拍摄距恒星5天
文单位外的木星尺寸行星的照片，这大约是木—日距离。对于
少数离我们特别近的恒星，甚至可能拍摄到距恒星1天文单位仅
数倍于地球质量的行星的照片。
方形孔径：十字形衍射图样能够把行星排除在外
但是方孔径绝非免费午餐。调整中心恒星的衍射光的位置使
整个系统对于光学缺陷更加敏感。“任何错误地进入暗区的光线
都会愚弄你，”，德克萨斯州休斯敦月球与行星研究所的David
Black说。他在太阳系外行星的研究领域经验丰富。
因此，ESPI计划需要新一代形状空前平滑精确的反射镜，这
样的反射镜已经用来制造计算机芯片。为了制造更小的微处理器，
半导体工业发展了光刻硅片的工艺。这项称为甚紫外光刻的技术
使用紫外光制造小于100纳米的器件。光学公司研制了制造能够
聚焦紫外光的新型反射镜的技术。Melnick希望这些技术——包
括使用离子束一层一层的去除原子——将会很快应用于制造望远
镜的反射镜。
类木行星搜寻（JPF）计划的倡导者也是如此。JPF是另外一
个被提议的行星成像计划。马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学
研究所的主任研究员Mark Clampin 认为镜面缺陷是最大的挑战。
他不使用新型的孔径，而是用一系列超平滑的反射镜搜寻50颗恒
星周围木星尺寸的行星，以及34颗恒星周围略小于土星尺寸的行
星，和2000颗恒星周围的褐矮星。JPF的优势是反传统的：它放
置在国际空间站（ISS）的外面。
像ESPI那样，JPF也被列入了NASA中级别探索(MIDEX)计划
的候选地位，这一计划将于2007年或者2008年进行。7月，NASA
将会选出若干MIDEX计划的概念作进一步的研究，年底将评出两
个优胜者。如果被选中，计划能得到至多198万美元的预算。
计算机校正
加州帕萨迪纳喷气推进实验室的John Trauger提出了第三个计
划概念：食(Eclipse)。“食”使用常规的日冕仪，而不需要辅助
性的超平滑反射镜。相反，它使用计算机调整镜面的形状，从而
能够连续校正镜面缺陷产生的错误。“食”被提议进入NASA的
探索(Discovery)计划，它的预算允许提升到300万美元。“食”能
够探测到我们附近较亮恒星5天文单位外木星尺寸的行星，甚至
可能看到天王星尺寸的行星。
如果这些计划能得到NASA评议团的青睐，那么它们可能作
为类地行星探测计划(TPF)的热身运动。TPF是NASA计划于2014
年实施的计划，预计花费在13亿到28亿美元之间。TPF足以拍摄
到地球尺寸的行星，研究它们的光谱，寻找诸如氧分子这样的生
命的迹象。
现在有4个小组竞争建造TPF，今年春天将会减少到2 个竞争
者，设计最终在2006年完成——这全部取决于NASA反复无常的
资金，以及与欧洲航天局达尔文（Darwin）计划合并的可能性，
后者有类似的、但是更广泛的目标。
TPF 和达尔文的设计着眼于在红外波段工作的消零干涉仪
(nulling interferometers)。这些设备将结合几个望远镜的图像，如果
望远镜之间的距离选择的合适，到达不同望远镜的星光相位相反，
在合成图像的时候将被抵消掉。剩下的只有行星发出的微弱光线。
但是在红外波长工作有个缺点：它对望远镜孔径的要求比工
作在可见光波段的望远镜孔径大。因此设计TPF或者达尔文需要
使用望远镜阵列，或者是编队“飞行”，或者使用超过100米的
杆状结构相互连接。还需要使用低温冷却探测器，以免图像被探
测器自身的红外辐射淹没，这个细节使设计更复杂。况且，很多
最令人感兴趣的生命的光谱在可见光波段而不是红外波段。
随着在可见光波段拍摄行星的新构想的产生，对TPF的看法
开始改变。4个竞争者中的两个——科罗拉多州玻尔得的鲍尔宇
航与技术公司和新墨西哥州阿尔伯克基的波音—SVS公司——开
始考虑让TPF们在可见光波段工作。“整个游戏变得更加难以预
料，”Black说。
一系列的行星成像仪还在绘图板上，人们正在考虑一个修改
后的TPF计划。今后的几年对于行星猎人们将是忙碌的时刻。
Goldin的太阳系外风景或许在几十年后才能看到，但是这一挑战
开始变得更现实了。
作者：Tony Reichhardt是Nature的通讯员
Terrestrial Planet Finder
ESA:Project Darwin
|
