借助“直接成像”，系外行星也能“眼見為實”

出品：科普中國

作者：董志川（中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

在日常生活中，我們更傾向于相信能直接看到的、更加直觀的事物。其實不僅是生活，科學研究也是一樣?？萍覀兛释麑崿F(xiàn)研究結(jié)果的“眼見為實”，這并不僅僅是一種對科學真相的追求，也具有實際的應用意義，同時還是為了實現(xiàn)宏大科學目標的迫切需要。

例如，天文學有時候就需要“眼見為實”。

2008年，科學家用“直接成像法”拍攝到一個系外行星系——HR8799行星系。經(jīng)過12年的持續(xù)觀測，近日，美國西北大學天體物理學家Jason Wang發(fā)布了一段延時視頻，清晰地展示了HR8799行星系中4顆行星是如何圍繞恒星運行的。

HR8799行星系中4顆行星圍繞恒星運行視頻

（圖片來源：科學網(wǎng)）

這只是“直接成像法”的應用場景之一。天文學家在未來相當長一段時間內(nèi)的重要目標之一，就是緊盯系外行星，對其進行直接成像。

系外行星直接成像難在哪兒？

對科學家們來說，系外行星直接成像探測在技術上非常具有挑戰(zhàn)性。因為行星光非常弱，而恒星光非常強，所以通常情況下，行星光會被淹沒在恒星強光之下，難以被直接探測到。直接探測系外行星的難度，就像是在探照燈旁尋找微弱的螢火蟲。

因此，要直接“看到”行星的信號，需要借助一種特別的方法——高對比度成像星冕儀技術。星冕儀可以通過各種調(diào)制技術來抑制恒星強光，在最終像面特定區(qū)域內(nèi)獲得高對比度成像，使得暗弱的行星能夠成像。

“直接成像、眼見為實”的迫切追求

為什么我們總有執(zhí)念，迫切地想“直接成像、眼見為實”呢？這是因為，有的時候，如果沒法直接成像的話，可能還真解決不了更為本質(zhì)的難題。

在很多電影中，一些鏡頭可能會讓人產(chǎn)生疑問。

在電影《侏羅紀公園》中，明明足夠高科技的戰(zhàn)機，一到需要擊落翼龍的時候，好像就瞄不準了。電影《哥斯拉》中，紅外導彈無法鎖定冷血的爬行動物哥斯拉巨獸，以至于頻頻脫靶。

翼龍

圖片來源：https://www.earth.com/

這些出現(xiàn)在科幻電影里的高科技戰(zhàn)機，按理說應該具備最頂尖的瞄準系統(tǒng)，為什么總是打不準人眼可以輕易瞄準的恐龍或者巨獸呢？

這是因為飛機和導彈被設計出來的初衷，根本不是要瞄準翼龍或哥斯拉。在雷達眼中，它只關注存在于目標身上的金屬反射面。而在紅外探測制導的導彈眼中，或許它的目標僅僅是熱源而已。

紅外熱成像

（圖片來源：veer）

人類明明用眼睛直接就能看到這些大型生物，為什么像雷達和熱成像等精密的武器識別技術反而不管用了？難道沒有以目視制導或以圖像識別為制導方式的導彈嗎？

其實目前也有基于目視或電視制導的導彈，但多數(shù)用途是打擊裝甲車、坦克等慢速目標，或攻擊地面上的固定目標。而且，如果僅靠人眼來攻擊飛行目標，“攻擊窗口”的范圍也實在有限。我們追求的“眼見為實”，并不僅僅局限于我們目之所及的范圍，而是把目光不能到達的地方，也用直觀的形象展示在我們面前。

“導彈打翼龍”的困難給我們帶來的啟示是：“直接成像、眼見為實”，仍然是非?？煽康哪繕俗R別手段和特征考察的辦法。

間接感知——系外行星目前的探測手段

天文學的研究也是一樣，我們現(xiàn)在對于行星的探測，較為成熟的手段有掩星法、視向速度法、天體測量法、重力微透鏡法與直接成像等。除少數(shù)之外，這些辦法都是對目標間接的感知與探測。

間接的感知與探測，仍然可以用電影中的場景來說明。呈現(xiàn)在戰(zhàn)斗機的雷達屏幕上的翼龍，并不是翼龍本身，而只是翼龍的雷達反射波信號或紅外熱源圖，這些只是對翼龍身體的“附屬效應”的探測，是一種間接探測感知手段。目前我們成功發(fā)現(xiàn)的系外行星，大部分都是利用這些間接效應。

人類第一次發(fā)現(xiàn)系外行星是在1992年，波蘭科學家使用了“脈沖星計時法”。采用這種方法，科學家發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞一顆名叫PSR B1257+12脈沖星的兩顆行星。雖然這是人類的首次突破，但脈沖星并不是嚴格意義上的類似太陽的恒星。

PSR B1257+12脈沖星藝術圖

（圖片來源：wiki）

人類發(fā)現(xiàn)的真正意義上的第一顆系外行星應該是在1995年，科學家以視向速度法所發(fā)現(xiàn)的飛馬座51b。發(fā)現(xiàn)者米歇爾·邁耶爾與他的學生迪迪?！た迤澮虼双@得2019年諾貝爾獎。

采用掩星法暫時是發(fā)現(xiàn)系外行星最多的辦法，多于70%的系外行星是通過這種辦法被發(fā)現(xiàn)。

而天體測量法雖然是最早用于搜索系外行星的辦法，但截至2018年，只有一顆于2010年發(fā)現(xiàn)的HD 176051b，是迄今為止唯一的一顆確認由天體測量法發(fā)現(xiàn)的系外行星。

但是我們的研究絕不僅局限于此，我們總想“眼見為實”，這樣才能更好地感知我們研究的對象，進而研究它。這并不是一種執(zhí)念，而是進一步科學分析的需要。

直接成像——天文學家更想“眼見為實”

如果人類能成功把一顆系外行星直接成像，親眼看見它，那么我們就能更好地分析它的外形、元素組成，以及獲得其光度、溫度、大氣、軌道等最直接與最豐富的信息，甚至直接考察它的地形地貌(雖然實現(xiàn)這個目標是相當困難)。

如果能做到這一點，無疑相當于對遙遠的陌生系外行星拍攝了一張清晰無比的高像素的“證件照”，實現(xiàn)了“建檔立卡”。如此一來，這樣能夠更便于科學家們進一步判斷遙遠的系外行星有無生命的訊息。

開頭提到的物理學家Jason Wang就努力用這種直觀的方法向人們展示了行星的運動軌跡。他曾說到，“天文事件要么發(fā)生得太快，要么太慢，無法通過視頻展現(xiàn)。但這段‘肉眼清晰可見’的視頻則直觀地顯示了在人類時間尺度上移動的行星，我希望它能讓人們享受到美妙的東西?！?/p>

高對比度成像星冕儀實驗平臺助力“眼見為實”

幸運的是，在直接成像的道路上，中國的研究人員們已經(jīng)取得了一些成果。中國科學院南京天光所系外行星探測技術實驗室，建立了一套通用的高對比度成像星冕儀實驗平臺。

為進一步提高系統(tǒng)的成像對比度，研究人員們開展了基于“核心功能器件”散斑噪聲消除技術以及波前重構(gòu)算法方面的研究工作。初步目標是將該系統(tǒng)成像對比度提升一個(到兩個)數(shù)量級，對年輕巨行星進行直接成像；長遠目標仍是努力使系統(tǒng)成像對比度實現(xiàn)對類地行星的直接成像。

大家更為熟悉的詹姆斯·韋布望遠鏡，因為在太空中沒有大氣的干擾，能更好地完成直接成像這一使命。而且，目前韋布望遠鏡已經(jīng)小試牛刀，展示了它具有對系外行星直接成像的能力。我們中國科學家也開始借鑒同樣的思路，把該系統(tǒng)移植到太空中，“搬”到現(xiàn)在正在建設中的、并日臻完善的空間站上，以期實現(xiàn)無大氣湍流干擾的高對比度條件下的“安靜”成像。

韋布望遠鏡

（圖片來源：維基百科）

相信未來，科研人員們能夠達成更高的成像對比度，并能將這套系統(tǒng)進行更廣泛的應用，甚至是幫助人類尋找宜居的第二家園。

編輯：郭雅欣