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    蓝色计划:建造一个能直接观察阿尔法星周围行星的太空望远镜

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      普朗克

      在过去的几十年里,在邻近的恒星系统中发现了数千颗系外行星。事实上到2017年10月1日,在2751个系统中已经确认了3671个系外行星,其中616个系统拥有一个以上的行星。不幸的是,绝大多数的这些都是用间接的方法探测到的,从引力微透镜到传输光度计和径向速度法。

      蓝色计划:建造一个能直接观察阿尔法星周围行星的太空望远镜

      “蓝太空望远镜”的概念图,该组织希望从2020年开始在半人马座阿尔法星上发现外星行星。图片版权:projectblue.org

      更重要的是,我们无法近距离研究这些行星,因为必要的仪器还不存在。蓝色项目是由科学家、大学和机构组成的一个联盟,正在寻求改变这一现状。最近通过Indiegogo发起了众筹活动,资助了一个太空望远镜的开发,该望远镜将于2021年开始在Alpha Centauri系统中寻找系外行星。

      除了商业和学术合作伙伴,Project Blue是BoldlyGo学院、Mission Centaur、SETI研究所和马萨诸塞州洛厄尔大学的合作项目。它是由科学技术咨询委员会(STAC)领导的,该委员会由科学和技术专家组成,致力于太空探索和探索宇宙生命。

      蓝色计划:建造一个能直接观察阿尔法星周围行星的太空望远镜

      一颗行星围绕着半人马座阿尔法星(Alpha Centauri B)运行,它是距离地球最近的三星级系统的一员。图片版权:ESO

      为了实现直接研究系外行星的目标,Blue项目正在寻求利用最近太空探索的变化,包括改进的仪器和方法,近年来发现的太阳系外行星的速度,以及私人和公共部门之间的合作。SETI研究所总裁兼首席执行官比尔·戴蒙德在最近的SETI新闻发布会上解释道:

      “蓝色计划”建立在最近的一项研究上,旨在表明地球并不是宇宙中唯一能够支持生命的星球,在我们最近的邻近恒星系统中看到这样的行星不是很神奇吗?这是我们搜索的根本原因。

      如前所述,在过去的几十年里,几乎所有的太阳系外行星的发现都是用间接的方法来完成的——其中最受欢迎的是过境光照度。这一方法是开普勒和K2任务所依赖的,用来探测总共5,017颗系外行星的候选行星,并确认有2,470颗系外行星的存在(其中30颗被发现在其恒星的宜居带内轨道运行)。

      这一方法由天文学家监测遥远的恒星进行周期性的亮度下降,这是由一颗行星在恒星前面的过渡造成的。通过测量这些dips,科学家能够确定该系统中行星的大小。另一种流行的技术是径向速度(或多普勒)方法,它测量恒星相对于观测者的位置变化,以确定其行星系统的质量。

      蓝色计划:建造一个能直接观察阿尔法星周围行星的太空望远镜

      计划任务概念图,展示了望远镜发射和部署。图片版权:projectblue.org

      这些和其他方法(单独或结合)使许多发现得以实现。但到目前为止,没有任何系外行星被直接成像,这是由于恒星对光学仪器的取消效应。基本上天文学家们一直无法发现来自外行星大气层的光,因为恒星发出的光比它的亮度要高100亿倍。

      因此挑战已经变成如何阻挡这种光,使行星本身能够变得可见。一个解决这个问题的方法是NASA的Starshade概念,一个巨大的空间结构,将被部署到轨道旁边的太空望远镜(很可能是詹姆斯·韦伯太空望远镜)。一旦进入轨道,这个结构就会部署它的花朵形状的箔片来阻挡遥远的恒星的眩光,从而使JWST和其他的仪器能够直接成像系外行星。

      但由于半人马座阿尔法星是一个二元系统(或神学院,如果你数比邻星),能够直接成像任何围绕它们的行星就更复杂了。为了解决这个问题,Blue项目已经制定了一套望远镜的计划,它将能够抑制半人马座阿尔法星a和B的光,同时同时拍摄轨道上的任何行星的图像。它的专业星光压制系统由三个部分组成。

      首先有一个日冕仪,它将依靠多种技术来阻挡星光。其次有可变形的镜子,低阶的波前传感器,以及控制入射光的软件控制算法。最后还有一种后处理方法叫做轨道差成像(ODI),它可以让蓝科学家增强图像的对比度。

      蓝色计划:建造一个能直接观察阿尔法星周围行星的太空望远镜

      “蓝色计划”的任务时间线,在十年结束时开始,并持续6年。图片版权:projectblue.org

      由于靠近地球,半人马座阿尔法星系是进行这样一个项目的自然选择。早在2012年一颗系外行星的候选——Alpha Centauri Bb被发现。然而在2015年,进一步的分析表明,检测到的信号是数据中的一个artefact。2015年3月宣布了第二个可能的外行星(Alpha Centauri Bc),但它的存在也受到了质疑。

      有了一种能够直接成像这个系统的仪器,任何外行星的存在最终都可以被证实(或排除)。正如Franck Marchis——SETI研究所的高级行星天文学家和蓝色科学行动项目的负责人说:

      “Project Blue”是一项雄心勃勃的太空任务,旨在回答一个基本问题,但令人惊讶的是,该技术在阿尔法星(Alpha Centauri)周围收集了一个“淡蓝色圆点”的图像。我们将用来探测行星1到100亿倍于其恒星的技术已经在实验室里进行了广泛的测试,我们现在已经准备好设计一种用这种仪器的太空望远镜了。

      如果Project Blue实现了众筹目标,该组织计划到2021年将望远镜部署到近地轨道(NEO)。接下来的两年,望远镜将使用它的冠状照相机观察半人马座阿尔法星系。所有人都说,在该仪器的发展和其观测活动的结束之间,任务将持续六年,这是一个天文任务的相对较短的运行。

      蓝色计划:建造一个能直接观察阿尔法星周围行星的太空望远镜

      项目Starshot是由突破性基金会发起的一项倡议,旨在成为人类的第一次星际航行。图片版权:breakthroughinitiatives.org

      然而这项任务的潜在回报将是非常深远的。通过直接将另一颗行星成像到我们自己的最接近的恒星系统中,“蓝色计划”可以收集到重要的数据,这些数据将显示出是否存在适宜居住的行星。多年来,天文学家们一直试图通过研究光通过大气层产生的光谱数据来了解外行星的潜在适居性。

      然而这一过程仅限于大型气态巨行星,它们围绕着它们的母恒星运行(即“超级木星”)。虽然已经提出了各种各样的模型来限制在恒星的宜居带轨道上运行的岩石行星的大气,但没有一个直接研究过。因此,如果它能被证明是成功的,那么“蓝色计划”将会允许一些历史上最伟大的科学发现。

      更重要的是,它将提供信息,以便将未来的任务告知半人马座阿尔法星,比如突破星射。这个提议的任务要求使用一个大的激光阵列来将一个光驱动的纳米飞行器推进到相对论的速度(光速的20%)。按照这个速度,飞船将在20年内到达半人马座阿尔法星,并能够使用一系列微型摄像机、传感器和天线传回数据。

      正如这个名字所暗示的,蓝色计划希望捕捉到第一张“淡蓝色圆点”的图像,它围绕着另一颗恒星运行。这是1990年2月19日由旅行者1号探测器拍摄的地球照片的参考,探测器完成了它的主要任务,并准备离开太阳系。这些照片是在著名的天文学家和科学传播者卡尔·萨根的请求下拍摄的。

      蓝色计划:建造一个能直接观察阿尔法星周围行星的太空望远镜

      旅行者1号探测器拍摄的“淡蓝色圆点”照片。图片版权:NASA/JPL

      最近其他“淡蓝色点”的照片被像卡西尼号轨道飞行器这样的任务所拍摄。在2013年夏天拍摄土星和它的环系统时,卡西尼设法捕捉到了在背景中显示地球的图像。考虑到这段距离,地球再次成为了黑暗空间的一个小光点。

      除了依靠众筹和多个非营利组织的参与,这个低成本的任务还试图利用太空探索的日益增长的趋势,即科学机构和公民科学家之间的开放参与和合作。这是“蓝色计划”的主要目的之一,就是让公众参与并教育他们太空探索的重要性。

      “太空探索的未来对于回答关于我们的生存和命运的深刻问题有着无限的潜力。”太空科学是研究这些问题的基石。“蓝色计划”试图让一个全球社区参与到一个任务中,寻找可居住的行星和地球以外的生命。

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