斯坦福大學天體物理學家構思的一種未來的”重力望遠鏡”技術可以使天文成像比今天的任何技術都要先進。自1992年第一顆系外行星被發現以來，天文學家已經發現了5000多顆圍繞其他恆星運行的行星。然而，我們對它們的了解相對較少：我們知道它的存在和它的一些特徵，但其餘的是一個謎。

為了避開望遠鏡的物理限制，斯坦福大學的天體物理學家一直在開發一種新的概念性成像技術，它將比目前使用的最強的成像技術精確1000倍。通過利用引力對時空的扭曲效應，即所謂的引力透鏡，科學家們有可能操縱這一現象，創造出比目前可用的任何技術都要先進的成像。

在今天（2022年5月2日）發表在《天體物理學雜誌》上的一篇論文中，研究人員描述了一種操縱太陽引力透鏡以觀察太陽系外行星的方法。通過將望遠鏡、太陽和系外行星放在一條線上，太陽在中間，科學家可以利用太陽的引力場來放大系外行星經過時發出的光線。相對於放大鏡有一個彎曲的表面使光線彎曲，引力透鏡有一個彎曲的時空，能夠對遙遠的物體進行成像。

一個重建地球圖像的例子，使用太陽引力透鏡投射的圍繞太陽的光環。實現這種重建的算法可以應用於系外行星，以獲得更好的成像。

斯坦福大學人文與科學學院的物理學教授、卡夫里粒子天體物理學和宇宙學研究所（KIPAC）副所長佈魯斯-麥金托什說：”我們想拍攝圍繞其他恆星運行的行星的照片，其效果不亞於我們對自己太陽系中的行星所做的照片。有了這項技術，我們希望能拍攝一張100光年外的行星的照片，其影響力與阿波羅8號拍攝的地球照片相同。”

目前的問題是，他們提出的技術將需要比目前更先進的太空旅行。不過，研究人員說，這一概念的前景以及它可能揭示的其他行星的情況，使它值得繼續考慮和發展。

讓光彎曲的好處

引力透鏡直到1919年的日食期間才被實驗觀察到。由於月亮阻擋了來自太陽的光線，科學家們能夠看到太陽附近的星星偏離了它們的已知位置。這是明確的證據，證明引力可以彎曲光線，也是愛因斯坦的相對論正確的第一個觀察證據。後來，在1979年，斯坦福大學教授馮-埃什勒曼發表了一份關於天文學家和航天器如何利用太陽引力透鏡的詳細說明。(同時，包括斯坦福大學KIPAC的許多天文學家現在經常利用最大規模星系的強大引力來研究宇宙的早期演變）。

但直到2020年，人們才詳細探索了這種成像技術，以觀察行星。加州理工學院噴氣推進實驗室的斯拉瓦·圖裡舍夫描述了一種技術，即天基望遠鏡可以使用火箭圍繞行星的光線進行掃描，以重建一份清晰的圖像，但該技術需要大量的燃料和時間。

描繪這種概念性系外行星成像技術與現有成像想法相比的動圖。

在Turyshev工作的基礎上，KIPAC的博士生亞歷山大·馬杜羅維奇發明了一種新的方法，可以從直視太陽的單一圖像中重建一個行星的表面。通過捕捉太陽周圍由系外行星形成的光環，馬杜羅維奇設計的算法可以通過扭轉引力透鏡的彎曲來消除光環的扭曲，從而將光環重新變成一個圓形的行星。

馬杜羅維奇通過使用位於地球和太陽之間的衛星DSCOVR拍攝的旋轉地球的圖像來展示他的工作。然後，他用一個計算機模型來觀察地球在太陽引力的扭曲作用下會是什麼樣子。通過將他的算法應用於觀測，馬杜羅維奇能夠恢復地球的圖像並證明他的計算是正確的。

為了通過太陽引力透鏡捕捉到系外行星的圖像，一台望遠鏡必須被放置在比冥王星更遠的地方，超過我們太陽系的邊緣，比人類曾經發送過的航天器還要遠。但是，這個距離只是太陽和系外行星之間光年的極小部分。

“通過解開被太陽彎曲的光線，可以創造出遠遠超過普通望遠鏡的圖像，”馬杜羅維奇說。”因此，科學潛力是一個未開發的謎，因為它開啟了這種尚不存在的新的觀測能力。”

目標設定在太陽系之外

目前，為了以科學家描述的分辨率對一顆系外行星進行成像，我們需要一個比地球寬20倍的望遠鏡，當然這是不可能的。而通過像望遠鏡一樣利用太陽的引力，科學家們可以將其作為一個巨大的自然透鏡來利用。一個哈勃大小的望遠鏡與太陽引力透鏡相結合，足以對系外行星進行成像，其功率足以捕捉表面的精細細節。

馬杜羅維奇說：”太陽引力透鏡為觀察開闢了一個全新的窗口，這將足以用來調查行星大氣的詳細動態，以及雲層和表面特徵的分佈，我們現在沒有辦法調查這些。”

但是，按目前的航天發展水平，人類至少需要50年的時間才能部署這項技術，很可能更長。為了採用這種技術，我們需要更快的航天器，如果用當今最先進的載具計算，可能需要100年的時間才能到達鏡頭。使用太陽帆或太陽作為引力彈弓，時間可能短至20或40年。儘管時間表不確定，但看到一些系外行星是否有大陸或海洋的可能性始終是他們的動力。兩者的存在是一個強有力的指標，表明在一個遙遠的星球上可能存在生命。

“這是發現其他行星上是否有生命的最後步驟之一，通過拍攝另一個星球的照片，你可以看到作為森林的綠色斑塊和作為海洋的藍色斑點–有了這些，就很難說它沒有生命了。”