从猫眼到革命性天文望远镜…… [复制链接]

    
    
    迄今仍无人发现围绕另一颗恒星旋转的另一个“地球”。对它的搜寻是天文学家最重要的梦想之一，但实施起来异常困难。天文学家已提出和试验多种装置，美国航天局将决定给哪种探测工具的进一步研制提供资金。也许要不了多少年，我们对多年困惑的这一问题就能有进一步的了解：我们是孤单的吗？
    【美国《发现》月刊3月号文章】题：我们能否发现另一个地球（作者　迈克尔·勒莫尼克）
    过去几十年来，天文学家们探索并发现了宇宙中许多真实的现象：有能够吸噬上百万颗星星的黑洞；有在宇宙边缘闪烁的类星体；甚至还有密度极大的中子星，一把小勺那么大就有100吨重。但是一种最重要的天体却逃出了天体观察者的目光。尽管现在的地面望远镜功能强大，能够观测到几十亿光年以外的星系；尽管哈勃望远镜能够不受大气畸变的影响清楚地观测到太空；尽管我们拥有X射线望远镜和红外望远镜，但迄今仍无人发现一个类似于我们星球的行星——围绕另一颗恒星旋转的另一个“地球”。对它的搜寻是天文学家最重要的梦想之一，但实施起来异常困难。即使是在银河系距我们只有几光年的一个小角落，一颗像地球一样沿轨道运行的行星也会因离恒星太近而令哈勃望远镜难以分清它们是两颗天体。恒星的亮度是行星的100亿倍。在巨大光源的强光近旁寻找一颗小“地球”，就好像在探照灯前寻找一只萤火虫一样——甚至比这更为困难。但是，美国航天局仍在几年前决定，再难也是值得的，因此开始着手设计“类地行星探测器”。研究人员一直认为，这项计划要花费几十亿美元，要向太空发射观测能力强、技术先进的天基望远镜，并花费25年时间，才可能有人真正观测到太空中的另一个“地球”。
    也许并非如此。
    就在天文学家埋头于设计一系列新的天基望远镜时，普林斯顿大学一小组富于创造力的圈外科学家和工程师想出了一个新的主意，能够使美国航天局的计划缩短数年时间，花费也比人们想像的要少许多。其关键就是由普林斯顿大学天体物理学家戴维·斯珀格尔发明的一种革命性的望远镜。
    斯珀格尔是一名理论家，而不是仪器设计人员。他是星系学和宇宙论专家，而不是行星学专家，两年前才开始自己研究光学问题。他说：“我有几个月没什么特别的事可做，于是我想，思考一些新的东西可能会挺有意思。我把一本通用的教科书带回家，每天晚上等孩子睡着后，就读上一两个小时。”
    对大多数科学家来说，这点光学教育远远不够。但斯珀格尔毫不气馁，他开始思考我们已知的消除恒星光芒的方法。其他天文学家已经推断出，既然把两台望远镜以合适的距离分开放置，能够减弱视野中心的光亮，那么如果在这两台望远镜的两边再各放1台较小的望远镜，光亮就会减弱更多。
    斯珀格尔琢磨，如果再增加两台更小的望远镜，会出现什么情况呢？他说：“似乎应有帮助。因此我们试着又加了一对更小的望远镜，总共达到8台。”在同小组其他成员的合作中，斯珀格尔发现，每增加一对镜片，都可以将恒星的光芒减弱一些。从理论上讲，由无限多的镜片组成的、中间大两边越来越小的望远镜组是非常理想的。
    无限增加镜片当然不可能，即使3到4对望远镜已经非常复杂，并且十分昂贵。但是多镜片组使斯珀格尔受到启发：如果观察一下这种理想的无限镜片组的整体形状，它看起来就像猫的眼睛——中间突出、左右两边逐渐变细小。因此，斯珀格尔心想，与其制造许多单独的镜片组成这样的形状，为何不做一个这样形状的镜片呢？更简单的是：为什么要费力做不规则的镜片呢？我们只要在普通望远镜的观测口处遮上一个东西，使观测口变成猫眼形状，就完全可以达到相同的效果。
    这个办法是可行的。2000年秋，普林斯顿大学著名光学工程师迈克尔·利特曼在普林斯顿大学工程学院的一间小实验室里证实了这一点。他将若干透镜和一个目镜组合在一起，让一小束激光逐一通过。然后他安放了一个不透光的摄影玻片，只在中间有一个透明的圆口，以模仿望远镜的圆形观测口。当光线穿过目镜时，他将光线聚焦于纸上，结果出现了单色的光点，周围交替出现逐渐变暗的亮色和暗色图纹。之后利特曼换上了另一张不透光的摄影玻片，但这次中间是一个猫眼形状、而非圆形的开口。光点依然出现，但亮色暗色的交替图纹仅限于上面和下面的三角形边框里。光点左右两边是黑暗区域。斯珀格尔、利特曼和小组的其他成员正是希望能在这片黑暗区域里观测到行星。
    除了普林斯顿大学的这个小组以外，洛克希德—马丁公司仍在竭力推荐多卫星红外干涉仪；其他小组正研究单一望远镜光学行星探测器。在这场竞争中，目前还没有领先与落后之分。
    本月美国航天局将决定为哪种望远镜的进一步研制提供资金。如果普林斯顿小组的望远镜最终建成，那将是一个几年前还根本没人想像得到的惊人成就；它的观测能力非常强大，也许可以发现地球的许多姊妹行星，使我们对多年以来感到困惑的问题有进一步的了解：我们是孤单的吗？