探尋地外行星的「黑科技」——「遮星板」技術小敘

科技 04-25

主頁菌說

近兩年地外行星或類地行星探索屢有斬獲，彷彿「外星家園」已經唾手可得。但事實上我們在這個領域的探索手段仍然有限，大家是否想過：

在不可能到達地外行星的前提下，我們能通過什麼樣的「黑科技」來更好的探測行星的大氣成分和狀態，並且判斷其是否有生命存在呢？

今天給大家帶來一個新的技術介紹，正好承接我們之前的外星人，你是住這兒嘛？論發現宜居行星TRAPPIST-1的「眼睛」。本文作者「土豆泥」，轉載已獲授權。

PS：挖的坑都會填上的，然後復用火箭的首次發射我們照例緊密跟蹤，一有消息就會和大家分享的。

「遮星板」提供的黑暗反倒讓我們能夠更好的發現地外行星的「光明」

我先把今天的主角請上來

可能很多朋友會對這個奇怪的發明嗤之以鼻，覺得並不會對人類產生

「現象級」

的改變，但是它的意義是深遠的，大家擺好果盤聽我從頭開始慢慢跟你們嘮（

不想看背景介紹的直接跳到分割線後，找綠色的「但是」二字

）：2016年5月10號，NASA宣布Kepler Mission（

開普勒太空望遠鏡

）一下就發現

1284顆地外行星

，人家不是隨便看看或者記一下數的，而是經過嚴格認證的數據。

這在地外行星發現史上確實是開創性的工作，與之相比，在地球「大表哥」——Kepler-452b被發現的2015年（

Kepler-452b就是15年NASA的「大發現」，是一顆標準的「類地行星」，而非地外行星

），發現的總數有些相形見絀。而在這1284顆地外行星之中，550顆很有可能是小型的岩質行星，9顆則坐落於其恆星系的宜居帶中。自09年處女作以來，「Kepler」對著同一天區瘋狂「抓拍」，觀測15萬顆恆星及其亮度變化，預測和確定可能與其相伴的行星數量與狀態：

哇哦，眼暈不？

截止到2016年5月10日，統計數據表明，

地外行星的尺寸較多分布在1.9~3.1R（R是地球半徑）的區間之內

，也就是說，

大部分的行星趨向于海王星的尺寸

，與大家認知有點不一樣的是，過去認為經常存在的木星型氣態巨星在此次發現中數量甚少：

對不起，又扯遠了。但是大家有沒有想過一個問題，

在不可能到達地外行星的前提下，我們是如何知道這些行星的大氣成分和狀態的呢？

比如HD 209458 b這顆氣態行星，我們知道它的大氣成分分別是：H、C、CO2、CH4、O2、Na還有痕量的H2O。

聰明的你早就猜到了，是通過氣體分子的吸收或者發射譜線。原理是，當你把一束光照射到氣體時，分子在吸收和散射不同頻率的光上會產生差異，這時候用簡單的稜鏡或者衍射光柵對透射或者衍射的光進行分光處理，就能看出某個氣體分子的光吸收或者發射譜圖，就像這樣：

舉幾個比較明顯的例子：

圖片來自

Spectral Calculator-Hi-resolution gas spectra

也就是說，

利用宿主恆星的光反射在該行星大氣後所產生的的特定「光譜指紋」，跟資料庫里的標準卡片對比

，你不僅可以知道該大氣層中含有的氣體成分，也可以知道其相對含量：

圖片來自

https://www.youtube.com/watch?v=UfJ-i4Y6DGU

而另一種方案是根據掩食或者凌日現象來進行觀測（這種方法在Saturn V的文章中也有提及外星人，你是住這兒嘛？論發現宜居行星TRAPPIST-1的「眼睛」），許多的系外行星就是通過這個方法被發現的。當發生掩食現象，科學家會記錄宿主恆星光強度的規律性變化，

並且如果這顆行星有大氣的話，其大氣分子就會根據它們自己的分子光譜對某些頻率段進行而外的「攔截」

，然後根據之前方法進行氣體的匹配和擬合過程，而這也是前面說到的HD 209458 b大氣成分被發現的方法：

圖片來自

https://www.youtube.com/watch?v=UfJ-i4Y6DGU

NASA有兩篇文章關於大氣濾鏡（atmospheric filter）

但是實在太長了，有興趣的可以點擊查看原文來索取鏈接，但簡短來講就是前面說了行星從母星周邊經過時，會遮擋母星的光，特別是當它從背後經過時，觀測的系統總亮度會相應地減弱，這稱為

次級掩食現象

，科學家可以根據這個數據推測母星的亮度和行星反射光的分量，因為某些顏色與氣體存在映射，利用被大氣濾掉（被氣體分子吸收的輻射波段）的光譜可以去分析大氣化學組成。

這種方法也有很好的例子，火星的全球探勘者號探測器（Mars Global Surveyor）利用自己的光譜儀採集到了地球吸收太陽的輻射波段，把金星和火星的光譜段對比一下：

你能看出其中的區別么？

但是，這裡要說的是，無論哪種方法，都是通過分子圖譜的方式來推測系外行星的大氣組成，而這個方法的操作過程卻是非常棘手的挑戰：

有些行星的大氣比較稀薄，因此分子光譜非常微弱，
於是我們需要超級靈敏的望遠鏡和光譜分析儀，比如James Webb空間望遠鏡
（詹姆斯·韋伯，6.5米口徑的鏡面，具備紅外波段的檢測功能，
韋伯幾乎成為了地外行星科研人員夢寐以求的神器，然而這飆升的經費和高度複雜和極富風險的設計方案實在讓人揪心
）；

有些大氣成分比較複雜，所以光譜可能會比較模糊或者難以匹配；

掩食信號的時長一般波動在幾個小時，採集信號就需要多次重複的觀測，因此要接受更多次的掩食信號，相應地拍攝時長會增加很多；

恆星本身不同位置發射各色光的數量不太一樣，因此行星所攔截的特徵譜線跟掠過母星的位置有很多大的關係，這就增加了不少難題：

各種並不那麼理想的情況

另外，科學家也時不時地會通過另外的方式來探測系外行星，這種方式叫做

微引力透鏡

（

Gravitational microlensing，你知道不「微」的引力透鏡是什麼么？

），又叫做引力竅門（gravitational trick），這是一個非常有意思的現象，我組合了一張圖，應該非常清楚地解釋清楚：

這幅圖應該可以很清楚的展示其原理：在A點時，前置恆星正好移動至背景恆星的前方，導致背景光的亮度被加強。

同時，任何質量不為零的物質都能使時空彎曲，背景恆星的光前行並繞開因前置恆星引力場扭曲的空間

，然後聚焦，所以看上去像光被放大的效果一樣，在光曲線上位一峰值。
當然，假如前置恆星具有繞其公轉的行星，並且在行至B點時正好掠過背景恆星發射光線，則也會產生類似的放大作用，只不過效果比較微弱，所以叫做微引力透鏡。但是，即便是小行星，如上圖所示，其產生的信號強度也不小，可以很容易的檢測到。科學家利用這種「戲法」也發現了不少地外行星。

但是

，之前的方法全部都是間接觀測或者發現系外行星，而對於發現並檢測其大氣成分乃至探明生命跡象的幫助有限，因為天文學家還需要直接的二位光譜圖，像下圖這樣：

這個是有名的Gliese 504b（

右上角

），之所以能在這張照片中的發現右上角那一亮點，因為它是一顆年輕的行星。由於熱度沒有耗散乾淨，其亮度得以維持部分。

而像類似這種年輕而又距離恆星較遠（太陽到海王星的距離）且不會被星光遮擋的系外行星能有幾顆？

岩質行星只能反射光，亮度就不用說了。就算是氣態巨星，大多數的亮度都不及其母星的千萬分之一，更別提這些個哥們距離太陽系太遙遠了（最近的恆星也在4.2光年之外）。

這也是一直困擾天文學家的難題之一，如果解決不好這個問題（

行星被恆星光輝徹底掩蓋的問題

），何談地外生命的探索工作。應對這種星光挑戰，科學家提出了一種可以在百年間成型的設想（發明）——

Starshade（遮星板）技術

。講到這，我們正式開始闡述這個有潛力的發明，看下圖：

在NASA的官網上有動畫版的視頻，一目了然。

我這裡只做簡要說明。首先，

花樣遮星板的直徑大約在40m左右，也就半個足球場的寬度。然後它至少要飛離空間望遠鏡50000公里遠（圖中有錯，但是可以塞上4個地球），這樣才能使望遠鏡在影子里佔據絕佳的位置。

而這其中最為困難的步驟就是，直徑不到40米的遮星板如何能一直維持為空間望遠鏡50000公里的距離不變？並且二者的姿態在空中的控制也是一大難題：

但是這難不倒天才的攻城獅，噴氣推進實驗室（JPL）的小夥伴們是這樣設計的：它顯示包裹著中心軸。然後和空間望遠鏡分離：

再來一次

然後花瓣張開，展開：

接著，空間望遠鏡轉身，花型板翻轉飛離。並離開望遠鏡50000公里左右：

然後它會停在恆星光面前，製造一個完美的影子，而設計恰到好處的邊緣可以控制衍射光，從而讓恆星的光亮度比被遮擋前低上100億倍，這樣就可以

直接

看到公轉的系外行星：

大家看到這幅圖有沒有想起什麼，泊松亮斑！

之所以不用圓盤而要有花瓣形邊緣就是因為泊松亮斑

如果使用圓盤，光波會在邊緣形成衍射，在陰影中心疊加產生明顯的亮斑——泊松亮斑，同時在光斑的臨近區域也會形成一圈一圈的波紋：

這樣的結果就是遮光碟的投影區並不是漆黑一片，對光源（恆星）的亮度抑製程度無法達到10^(-4)以下。而花型遮星板的製作就是要抑制光波繞射這種現象，利用光的波動性原理，設計精密的邊緣尺寸，讓繞射後的光波正好在空間望遠鏡的平面上儘可能地相互抵消，這種特殊形狀的模擬數值告訴我們，光源的亮度可以被抵消至10^(-10)。

而這種技術的原創性設想來源於摺紙，根據JPL的視頻，他們早已開始了小樣測試（2米）：

然後是5米：

然後是真實尺寸的一半，但是只有四個花瓣，但是16次測試展開的位置誤差都在0.1毫米以內：

在crazy engineering頻道的視頻中

他們還就

日冕儀

技術（coronagraph）做了介紹，這是一種跟遮星板一樣的同屬於星光抑制技術的手足，只不過成名更早，不做過多論述。

遮星實物小樣在亞利桑那的天文台經受測試

在TED的演講中

，Jeremy Kasdin是這麼說的：希望能把這種最酷的「技術發明」用在這樣的恆星系中，我們期望能看到這樣的場景：

這張其實是我們太陽系的小全家福，而我們希望的是以後也能看到這樣的地外恆星系，通過花型遮星板技術，可以看見氣態巨星、遠軌行星以及靠著中間餘光的藍色小點——類地行星，看那裡是否有水，有氧氣，臭氧，二氧化碳等等，看看那裡是否有生命的種子。

附註：
簡單列一下近幾年NASA要發射的空間望遠鏡計劃，以下文字糅雜了兩篇文章

系外行星探索的下一目標：類地行星

和

「開普勒」繼任者，劍指第二地球

：

1.「探險家」TESS（

Transiting Exoplanet Survey Satellite

——凌星外星行星巡天衛星），預計於2017年發射。它將沿著一條從未有航天器採用過的特殊軌道飛行，以便獲得沒有死角的視野，能夠掃描整個天空，在鄰近的明亮恆星周圍尋找行星。

凌星外星行星巡天衛星（左圖），將巡視幾乎全部的天空（右圖），尋找外星行星（中圖）。

2.與TESS同一時期將要發射升空的，還有哈勃空間望遠鏡的超大尺寸繼任者——w韋伯空間望遠鏡（

James Webb Space Telescope

）。韋伯望遠鏡具有開展紅外波段的觀測的能力，可以測量TESS發現的許多行星的溫度和化學構成——甚至監測那裡的天氣變化。

神一樣的韋伯，神一樣的經費，這是最新圖片，鬼知道升空前還會出什麼幺蛾子

3.與此同時，地面上的巨型望遠鏡，比如位於智利的巨型麥哲倫望遠鏡（Giant Magellan Telescope）和位於夏威夷的三十米望遠鏡（Thirty Meter Telescope），都計劃在2020年前後投入使用。它們將執行更耗費時間的工作，測量TESS發現的那些行星的質量和密度，以確定它們到底是岩石星球，還是氣體星球，抑或是完全不同類型的其他星球。