沒(méi)三體里的魔法，怎么向宇宙“廣播”？這個(gè)神奇的環(huán)是關(guān)鍵！

今年，科幻小說(shuō)《三體》終于被搬上了熒屏，讓三體迷好好過(guò)了一把癮。在《三體》中有這樣一個(gè)情節(jié)：葉文潔利用太陽(yáng)放大了紅岸基地發(fā)射的信號(hào)，使信號(hào)得以被三體人接收。在現(xiàn)實(shí)世界中，科學(xué)家還沒(méi)擁有葉文潔的魔法，不能利用太陽(yáng)向無(wú)垠的宇宙全域廣播發(fā)自地球的信號(hào)。

沒(méi)有辦法了嗎？有。有一種方法能利用太陽(yáng)定向地放大我們發(fā)送和接收到的信號(hào)。這要從一百多年前的一次著名日食觀測(cè)說(shuō)起。

一、引力使光線偏折？1919年這次日全食觀測(cè)證實(shí)了！

1916年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，顛覆了牛頓力學(xué)對(duì)引力的表述，廢除了對(duì)空間和時(shí)間的傳統(tǒng)觀念，從而搭建了一個(gè)物理學(xué)的全新框架。

在廣義相對(duì)論下：引力會(huì)造成時(shí)空彎曲，因此光線受到引力的影響也會(huì)彎曲。

愛(ài)因斯坦計(jì)算出太陽(yáng)引力產(chǎn)生的光線偏折僅僅有1.75角秒。

隨即，英國(guó)天文學(xué)家戴森意識(shí)到，1919年5月29日的日全食將會(huì)提供一次絕佳的機(jī)會(huì)，測(cè)量太陽(yáng)引力造成的光線偏折，從而檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的預(yù)言。

那次日全食，太陽(yáng)位于明亮的畢星團(tuán)（星團(tuán)就是眾多恒星由于引力聚成的一團(tuán)）前面，在食甚時(shí)分（太陽(yáng)完全被掩蓋的時(shí)候），在這個(gè)星團(tuán)里，多顆明亮的恒星都能被觀測(cè)到。這樣一來(lái)，只要把食甚時(shí)的恒星位置和太陽(yáng)不在這個(gè)區(qū)域時(shí)的位置進(jìn)行比較，就能知曉光線是否被太陽(yáng)引力彎曲，也能得出偏折角度是多少。

星團(tuán)里恒星眾多，測(cè)量的恒星位置越多，就越能降低誤差。隨后，他們制定了詳細(xì)的觀測(cè)計(jì)劃：

戴森作為總負(fù)責(zé)人留守英格蘭。

愛(ài)丁頓和帶領(lǐng)一支隊(duì)伍去了西非的普林西比。他們這隊(duì)的運(yùn)氣不太好，遭遇了多云天氣，但是還是拍攝了16張底片。

克羅姆林帶領(lǐng)另一只隊(duì)伍去了巴西北部的索布拉爾。當(dāng)時(shí)巴西的天氣條件要好一些，但他們的設(shè)備出了點(diǎn)兒毛病，拍出來(lái)的許多底片不太清楚。幸好他們同時(shí)使用一臺(tái)備用設(shè)備進(jìn)行了觀測(cè)，最后發(fā)現(xiàn)備用設(shè)備的觀測(cè)結(jié)果更為關(guān)鍵（圖1）。當(dāng)年11月，在倫敦的皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)聯(lián)合召開(kāi)的特別會(huì)議上，他們集體宣布了測(cè)量結(jié)果，非常接近愛(ài)因斯坦的預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，隨后成為全球性新聞 （圖1）。

圖1上：1919年11月22日倫敦新聞畫(huà)報(bào)的關(guān)于日全食觀測(cè)結(jié)果的新聞。下：100年后歐洲南方天文臺(tái)復(fù)原的在巴西索布拉爾拍攝的底片，黃色圓圈標(biāo)記了附近的恒星。（來(lái)源：https://cseligman.com/text/sky/eddington.einstein.htm）

二、愛(ài)因斯坦環(huán)：引力使光線偏折而產(chǎn)生的現(xiàn)象

引力使光線偏折，這類(lèi)似于在光源前面放置了一個(gè)透鏡，因此也被成為“引力透鏡”效應(yīng)。

如果一個(gè)遙遠(yuǎn)天體、透鏡天體（一個(gè)質(zhì)量很大的天體）和地球恰好在一條直線上，而且三者之間的距離又剛好合適，使得在地球上觀測(cè)到“折射”光線匯聚在一起，所成的像就是一個(gè)環(huán)，這就叫“愛(ài)因斯坦環(huán)”。

在天文觀測(cè)中我們確實(shí)看到了很多愛(ài)因斯坦環(huán)，如圖2，中心黃色明亮的星系就是透鏡天體，周?chē)乃{(lán)色環(huán)就是被“折射”的更加遙遠(yuǎn)的星系。透鏡天體就如同一個(gè)光學(xué)透鏡一樣，放大了遙遠(yuǎn)天體的亮度和尺度。然而事實(shí)上，這只不過(guò)是由于引力效應(yīng)導(dǎo)致光線偏折的現(xiàn)象。

圖2哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到的不同星系的引力透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的愛(ài)因斯坦環(huán)。（圖片來(lái)自 NASA/ESA/A. Bolton/SLACS Team）

三、放大信號(hào)？要在距離太陽(yáng)550個(gè)天文單位以外放望遠(yuǎn)鏡→

太陽(yáng)是距離我們最近的大質(zhì)量天體，占據(jù)了太陽(yáng)系中超過(guò)99.8%的質(zhì)量。100多年前的觀測(cè)已經(jīng)證實(shí)：太陽(yáng)可以使光線偏折，偏折的光線再匯聚一點(diǎn)，這點(diǎn)接收到的光線要比原來(lái)多的多。

因此，我們可以將太陽(yáng)作為一個(gè)透鏡天體，放大太陽(yáng)背后來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的信號(hào)。

太陽(yáng)引力也可以產(chǎn)生愛(ài)因斯坦環(huán)，我們?nèi)绾尾拍苡^測(cè)到呢？（回顧一下前文所述的觀測(cè)到愛(ài)因斯坦環(huán)的條件）

1、太陽(yáng)背后的遙遠(yuǎn)天體、太陽(yáng)（透鏡天體）、望遠(yuǎn)鏡三者要連成一線；

2、望遠(yuǎn)鏡距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，觀測(cè)到的愛(ài)因斯坦環(huán)的直徑越大，而當(dāng)愛(ài)因斯坦環(huán)大于太陽(yáng)直徑，它才能被我們觀測(cè)到。

那么，如何使愛(ài)因斯坦環(huán)大于太陽(yáng)的直徑呢？這里有一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)——望遠(yuǎn)鏡和太陽(yáng)的最小距離。在遙遠(yuǎn)天體、太陽(yáng)、望遠(yuǎn)鏡三者的連線上，比這個(gè)最小距離更遠(yuǎn)的位置，都能觀測(cè)到愛(ài)因斯坦環(huán)（見(jiàn)圖3）。

根據(jù)計(jì)算，望遠(yuǎn)鏡距離太陽(yáng)的最小距離大約是550天文單位（一天文單位是地球到太陽(yáng)的距離），這相當(dāng)于冥王星到太陽(yáng)距離的14倍。而人類(lèi)現(xiàn)有飛行最遠(yuǎn)的探測(cè)器是旅行者1號(hào)和2號(hào)，它們已經(jīng)飛行了40多年，才飛行了大約150天文單位。

圖3 太陽(yáng)引力透鏡效應(yīng)造成愛(ài)因斯坦環(huán)的示意圖。橙色方塊是能看到愛(ài)因斯坦環(huán)的最小距離，距離太陽(yáng)大約550天文單位。橙色點(diǎn)線代表引力透鏡的聚焦線，在這條線上都可以看到愛(ài)因斯坦環(huán)（來(lái)源：作者制作）

這里觀測(cè)到的愛(ài)因斯坦環(huán)的面積和信號(hào)的波長(zhǎng)決定了信號(hào)能夠被放大的倍數(shù)。其中愛(ài)因斯坦環(huán)的面積取決于其直徑和寬度，而它的寬度就是望遠(yuǎn)鏡的口徑。

因此，放置的望遠(yuǎn)鏡口徑越大、位置越遠(yuǎn)，信號(hào)被放大的倍數(shù)就越高。比如，在600天文單位的距離放置一個(gè)1米口徑的望遠(yuǎn)鏡，觀測(cè)到的愛(ài)因斯坦環(huán)可以把紅外波段的信號(hào)放大幾十億倍！

如果我們把這個(gè)望遠(yuǎn)鏡替換成一個(gè)信號(hào)發(fā)射器，朝向太陽(yáng)發(fā)射信號(hào)，那么在相反方向的直線上，超過(guò)550天文單位的地方也可以觀測(cè)到由太陽(yáng)引力產(chǎn)生的愛(ài)因斯坦環(huán)，可以相應(yīng)地把信號(hào)放大幾十億倍。但是，放大信號(hào)的覆蓋范圍就很小很小了——小于一平方角秒，就像一束極窄的光束，只有在這個(gè)光束內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡，才能探測(cè)到這個(gè)放大的信號(hào)。

因此，如果我們想利用太陽(yáng)放大向“三體人”發(fā)送的信號(hào)，或者監(jiān)聽(tīng)“三體人”的信號(hào)，需要在半人馬座α星（三體人母星的原型）和太陽(yáng)的連線上、距離太陽(yáng)550個(gè)天文單位以外放置一個(gè)發(fā)射器或者望遠(yuǎn)鏡，這就可以大大節(jié)省發(fā)射信號(hào)所需要的功率，或者監(jiān)聽(tīng)到更微弱的信號(hào)。

當(dāng)然，我們現(xiàn)在還沒(méi)有在半人馬座α星的行星中發(fā)現(xiàn)任何生命存在的跡象，更沒(méi)有發(fā)現(xiàn)外星文明。

四、朝著星際互聯(lián)網(wǎng)之夢(mèng)，不斷前行！

在這么遙遠(yuǎn)的距離上放置一個(gè)發(fā)射器或者望遠(yuǎn)鏡，對(duì)于現(xiàn)在的航天技術(shù)來(lái)說(shuō)確實(shí)是一件很有挑戰(zhàn)的事情。但是并不妨礙科學(xué)家們進(jìn)行概念性研究。

早在1979年，天文學(xué)家Eshleman就提出了可以利用太陽(yáng)引力透鏡效應(yīng)進(jìn)行星際通信。

1993年，意大利天文學(xué)家Maccone向歐洲空間局提出了一個(gè)名為“FOCAL”的概念項(xiàng)目，發(fā)射一個(gè)飛船到550天文單位以外，利用太陽(yáng)引力透鏡效應(yīng)監(jiān)聽(tīng)外星文明的通信，后續(xù)還寫(xiě)了很多篇論文和一本專(zhuān)著來(lái)論述和完善這個(gè)項(xiàng)目。

1999年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的West在一篇論文中詳細(xì)介紹了NASA資助的一項(xiàng)概念研究，叫做“太陽(yáng)引力望遠(yuǎn)鏡”，探索利用太陽(yáng)的引力透鏡效應(yīng)進(jìn)行天文觀測(cè)的可行性。

近些年，NASA的創(chuàng)新先進(jìn)概念研究計(jì)劃（NASA Innovative Advanced Concepts program，NIAC），連續(xù)資助了一個(gè)利用太陽(yáng)引力透鏡對(duì)系外行星進(jìn)行成像觀測(cè)的項(xiàng)目。

我們不止可以利用太陽(yáng)，也可以把其它恒星作為引力透鏡來(lái)放大信號(hào)。

未來(lái)，我們?nèi)祟?lèi)派出探測(cè)器訪問(wèn)半人馬座α星的行星，探測(cè)器的數(shù)據(jù)可以被它們的恒星放大后傳回太陽(yáng)系，再利用太陽(yáng)放大之后接收。

在更遙遠(yuǎn)的未來(lái)，當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)星際航行，探索廣袤的宇宙時(shí)，可以在恒星的引力透鏡的聚焦線上建立信息傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，利用一顆顆恒星建立跨越星系的通信網(wǎng)絡(luò)，就像星際間的互聯(lián)網(wǎng)！

參考資料：

1. https://arxiv.org/pdf/1912.05587.pdf

2. https://arxiv.org/pdf/1706.05570.pdf

3. https://arxiv.org/pdf/2009.01866.pdf

作者：閆震 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 研究員

策劃：翟國(guó)慶

出品：科普中國(guó)

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