大数据文摘出品
来源：Sciencemag
编译： 李世林、刘俊寰
读过《三体》的小伙伴们应该都记得这经典的一段——红岸基地的叶文洁灵光一闪，把太阳作为信号放大器，向广袤宇宙发出人类的啼鸣，暴露地球的坐标，从而拉开了整个三体故事的序幕。 然而，并不是只有小说才会把目光投向自然星体，有科学家就试图把地球当成一个巨型放大镜，造出史上最大的太空望远镜。 对于太空望远镜来说，口径大小直接影响着空间分辨率，空间分辨率越高，望远镜对目标物体细节分辨的能力就越强，得到的信息也就越多。 比如欧洲的超大望远镜ELT，它在提出之际就备受关注，最主要的原因还是在于其近40米直径的主镜结构，让ELT成为当之无愧的世界上最大的望远镜。 但有天文学家认为还存在一种更大的太空望远镜，直径可达150米 。它由 哥伦比亚大学的天文学家David Kipping提出，主要利用地球大气层本身作为自然透镜来收集和聚焦光线 ，能够将暗物体的亮度放大数万倍。
David Kipping以在其他行星系统中搜索卫星而闻名，去年他发现了一颗系外卫星，这极有可能是第一颗被发现并被确认的系外卫星。他说，地球镜（Terrascope）的想法起源于13年前，当时他在研究一种叫做绿闪光的罕见大气现象，当太阳落到地平线以下，在折射和散射共同作用下能够瞬间从太阳光中选择出绿光。他认为，当太阳从地球后面经过时，光会被行星周围的空气环折射，如果在太空中的观测位置合适，将有机会看到一个完整的绿色环。
金字塔顶上的绿闪光via澳大利亚天文摄影家Colin Legg
Kipping的灵感还来自太阳本身可以用作透镜的想法。地球的重力能将光线聚焦到一个太空探测器上，这种太阳透镜可以将光放大一百万到十亿倍，我们将有可能看到系外行星的表面。这一想法催生了1993年欧洲航天局提出的“FOCAL”计划（Fast Outgoing Cyclopean Astronomical Lens mission），但它从未获得任何关注，因为探测器的位置必须是地球到太阳距离的550倍，比海王星要远将近20倍，这一距离需要一个世纪才能让航天器到达。
但Kipping说，地球镜可能离我们更近。他计算出，从地球正后方物体发出的表面掠光会偏斜到地月距离85%处的焦点上，到达焦点的光在穿过低层大气时很可能会遇到云层和大量湍流。但是，将探测器移到150万公里以外的地方，也就是比月球远四倍的焦点处，它将对经过海拔13.7公里的、更平静的无云平流层的光进行采样。
他计算出，在这个距离上用1米太空望远镜观察一整夜，物体的亮度会提高到原来的22500倍，相当于使用了150米的望远镜。Kipping说，地球镜强大的放大能力意味着，它能探测到非常模糊的物体，或识别出亮度非常微小的变化，这使它能够扫描天空以寻找非常小、非常暗的小行星，或者在小型系外行星经过明亮恒星前时，测量亮度的微小变化。
为了避免被明亮的地球圆盘弄得眼花缭乱，望远镜需要一个被称为日冕仪的遮罩来遮挡。Kipping表示，目前他还没有考虑“气辉”的影响（“气辉”是一种通过发光和其他过程在高层大气中发出的昏暗光）。他指出，利用物体在不断变化之下保持稳定这一事实，可以用滤镜或数码技术消除这种发光。他说，地球镜的概念可以通过一个便宜的烤箱大小的CubeSat任务进行测试。
正如David Kipping所说，对于地球镜而言，大气层的变化使其无法产生与哈勃望远镜相媲美的清晰图像，但它能够发现更暗的物体，包括小型系外行星或威胁地球的小行星。Kipping承认需要更多的工作来证明这个想法，但是必要的技术已经存在。“这不是在重新发明车轮，而是试图更用力地去推动它，”他说道。 天文学家们读过Kipping在arXiv上发表的论文之后，表示又兴奋又担忧。荷兰莱顿大学（Leiden University）的Matt Kenworthy表示，他“为自己投入的工作量感到震惊”，但他希望有更多证据来证明这种做法的可行性。“我想尽力去构建一个更为现实的模型，”他说。来自斯坦福大学的Bruce Macintosh补充道：“这是一个有趣的思维实验，但还有很多细节需要仔细考虑。”
Kenworthy说，大气的变化可能会严重降低地球镜的图像质量。 为了评估影响，他说，“下一步是用真实的地球大气模型进行射线追踪”。 理想情况下，巨型透镜应该将光线聚焦到一个点上。 “实际情况中，你可能会看到一些斑点”。
Macintosh表示同意，“地球大气层是一个非常不理想的透镜，所以会产生非常模糊的图像，”他说。 但它能够利用其巨型放大“光桶”的优势来研究微弱物体亮度的变化情况。
至少，Kipping让天文学家们开始讨论这个想法。 Kenworthy说： “我不会仅凭这张纸就发射一颗卫星。 但这是很好的第一步。 ”
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https://www.sciencemag.org/news/2019/08/space-telescope-would-turn-earth-giant-magnifying-lens
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