NASA新型太空望远镜上的可变形镜面或能揭示类似太阳系木星的行星

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摘要

NASA即将发射的南希·格雷丝·罗曼太空望远镜将搭载首个配备可变形镜面的太空主动日冕仪，能直接成像类似于木星的系外行星，并可能为探测类地世界铺平道路。

<div data-chronoton-summary="&lt;ul&gt;&lt;br&gt;&lt;li&gt;&lt;strong&gt;消失的表演：&lt;/strong&gt; NASA的罗曼望远镜搭载了首个太空“主动”日冕仪，它不仅阻挡星光，还能测量并抑制杂散光，使对系外行星的灵敏度相比现有仪器提升高达1000倍。&lt;/li&gt;&lt;br&gt;&lt;li&gt;&lt;strong&gt;变形镜面：&lt;/strong&gt; 两面可变形镜面，每面由数千个微型致动器控制，能以小至氢原子直径十分之一的增量调整表面形状，以消除不必要的光线——就像降噪耳机，但针对的是星光。&lt;/li&gt;&lt;br&gt;&lt;li&gt;&lt;strong&gt;前所未见的木星：&lt;/strong&gt; 到目前为止，几乎所有直接拍摄到的系外行星都是体积过大、仍在发光的年轻天体，与太阳系的行星完全不同。罗曼可能改变这一现状，捕捉来自真正类木星世界的反射光——这些成熟、寒冷的气态巨行星在合理距离上绕类太阳恒星运行。&lt;/li&gt;&lt;br&gt;&lt;li&gt;&lt;strong&gt;寻找地球2.0的跳板：&lt;/strong&gt; 即使一个行星缩小到只有几个像素，也承载着真正的科学分量——罗曼可以分析其光线在不同波长下的特征，以探测大气化学成分。&lt;/li&gt;&lt;/ul&gt;" data-chronoton-post-id="1140701" data-chronoton-expand-collapse="1" data-chronoton-analytics-enabled="1"></div> <p>当NASA的南希·格雷丝·罗曼太空望远镜最早于下月底发射时，它将尝试天文学史上最精确的消失表演之一。该望远镜将搭载首个太空“主动”日冕仪，这一仪器能在拍照时有效消除恒星的大部分光线。</p> <p>它将使天文学家能够首次拍摄到与我们太阳系行星相似的其他恒星的系外行星照片。最终，它可能为未来的任务铺平道路，使其能够拍摄到类地世界的第一批照片。</p> <p>“我希望它被铭记为……寻找地球2.0的关键跳板，”该仪器在NASA喷气推进实验室（JPL）的首席机械工程师Brandon Creager说道。</p> <p>以NASA首位天文学主任南希·格雷丝·罗曼命名，这台新望远镜将搭载一个约300兆像素的广角相机，能够以相似分辨率拍摄比哈勃太空望远镜最大曝光面积大约100倍的图像。</p> <p>这些能力将帮助天文学家揭示暗物质和暗能量的神秘身份，并探测约10万颗新的系外行星（即太阳系之外的行星），这些行星的存在可以通过它们对更遥远恒星光线扭曲的方式推断出来。哈佛大学研究科学家Javier Viaña曾有两个项目入选罗曼望远镜竞争激烈的第一年观测计划，他将这一飞跃比作从“采访一小群人”到“进行全球人口普查”。</p> <p>另一个相机将使用日冕仪，每次观测一个恒星系统时遮挡恒星的光线。该仪器将使天文学家能够前所未有地观察恒星周围的空间，从而看到更小、更暗、更接近恒星的系外行星。“它让我们能够看到以前无法实际看到的行星，”Creager说。</p> <h3 class="wp-block-heading"><strong>消失表演的原理</strong></h3> <p>太空中的日冕仪并不新鲜。但早期的版本，比如目前搭载在哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜上的那些，使用固定系统来遮挡恒星刺眼的光线。这种方法确实有帮助，但有点像在黑暗房间里寻找萤火虫时，用拇指遮住手电筒。虽然灯泡消失了，但杂散光仍然可能泄漏出来，掩盖萤火虫的光。在望远镜内部，这种杂散光可能来自光线从机械装置的边缘泄漏，或来自镜面和镀层上的微小缺陷，这些缺陷会将星光散射成斑点。所有这些都可能隐藏甚至冒充行星。</p> <p>然而，罗曼的日冕仪将尝试今年之前太空望远镜从未做过的事情：在每次观测前，它会测量剩余光线并试图压制它，这种技术称为主动波前控制。</p> <p>望远镜之所以能做到这一点，是因为它包含两面可变形镜面。每面镜面下方有一块48×48的致动器（微型活塞）阵列，上面覆盖着一层薄的可变形玻璃片。施加少量电压使致动器收缩，将它们所在区域的镜面向后微微拉动，就像数千个微小的手指在精细地雕刻表面。</p> <p>这种效果非常细微：每个镜面区域最多可变形0.5微米，约相当于大肠杆菌大小的四分之一，并且可以以大约10皮米（约为氢原子直径的十分之一）的步长进行调整，JPL的项目系统工程师Ilya Poberezhskiy说。</p> <p>致动器使镜面能够产生“主动波前”，每个组件被移动到完美位置，以抵消不需要的光线的入射波——有点像降噪耳机，但处理的是光而不是声音。被“抵消”的光线会在恒星周围形成“甜甜圈形状的区域，我们在那里压制星光，并希望在那里看到系外行星，”Poberezhskiy说。</p> <p>与现有的太空日冕仪相比，该系统预计将使系外行星在它们宿主恒星的强光下的探测灵敏度提高多达1000倍，揭示以前因过于暗淡而无法探测到的行星。</p> <p>与哈勃和韦伯望远镜一样，罗曼也使用掩模——放置在光路中的图案化板，旨在阻挡射入的光子。罗曼掩模武器库中的一种工具是“硅草”，即某些掩模上的微观尖刺丛林，可以在特定配置下吸收光子，防止它们在望远镜内部反弹并意外到达探测器。</p> <p>进入这片丛林的光线在叶片之间越陷越深，最终被困住，而不会反射回相机。“一旦光线进入那里，它再也出不来了，”Poberezhskiy说。镜面和掩模形成了一系列闸门和树篱，将尽可能多的保留的行星光线引导至最终探测器。<br></p> <h3 class="wp-block-heading"><strong>外星木星</strong></h3> <p>这种精心设计的装置可能开启系外行星直接成像的新篇章。到目前为止，几乎所有拍摄到的系外行星都是体积过大的年轻天体，与太阳系中的居民完全不同：质量是木星的几倍，仍带着诞生时残留的热量发光，轨道距离恒星是地球到太阳距离的几十到几百倍。这是因为它们相对容易看到。它们的大小、热量以及与母恒星的遥远距离使它们在红外光下发出明亮的光，远离恒星强光最严重的地方。</p> <p>然而，罗曼可以直接成像真正的木星类比——一颗质量与木星相似、围绕类太阳恒星运行、轨道距离比地球到太阳远几倍的行星。与我们目前能看到的炽热木星不同，这颗行星将是一颗像我们木星一样成熟得多的气态巨行星，在经过数十亿年的冷却后，主要反射其母星的光，而不是大量发出自身的光。</p> <p>天文学家之前已经能够通过行星施加给恒星的引力摆动推断出这类行星的存在。而罗曼则将收集从行星表面反射的星光。
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# NASA新空间望远镜上的变形镜或能揭示像我们太阳系一样的木星 来源：https://www.technologyreview.com/2026/07/22/1140701/shape-shifting-mirrors-roman-space-telescope 当NASA的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜最早在下月底发射时，它将尝试天文学史上最精确的“消失术”之一。该望远镜将携带首个进入太空的“主动”日冕仪，一种在拍摄过程中有效消除恒星大部分光线的仪器。 这将使天文学家能够首次拍摄到与太阳系行星相似的系外行星照片。最终，它可能为未来的任务铺平道路，拍摄到类地世界的首批照片。 “我希望它被铭记为寻找‘地球2.0’的关键垫脚石，”该仪器的首席机械工程师、NASA喷气推进实验室（JPL）的布兰登·克里格说。 以NASA首位天文学主管南希·格雷丝·罗曼命名，这架新望远镜将携带一个约3亿像素的广角相机，使其能够拍摄到比哈勃空间望远镜最宽曝光面积大100倍、分辨率相似的照片。 这些能力将帮助天文学家揭开暗物质和暗能量的神秘面纱，并探测到约10万颗新系外行星——太阳系以外的行星，这些行星的存在可以通过它们扭曲更遥远恒星光线的方式推断出来。哈佛大学研究科学家哈维尔·维亚纳（他已入选罗曼望远镜第一年高度竞争的观测项目中的两个）将这一飞跃比作从“采访少数人”到“开展全球人口普查”。 另一台相机将使用日冕仪，在每次观测一个恒星系统时遮挡恒星的光线。该仪器将使天文学家以前所未有的方式观察恒星周围的区域，使他们能够看到更小、更暗、更靠近恒星的系外行星。“它让我们能够看到以前无法直接看到的行星，”克里格说。 ### **消失术的构造** 太空中的日冕仪并不新鲜。但早期的版本，例如目前哈勃和詹姆斯·韦布空间望远镜上的日冕仪，使用固定系统来遮挡恒星刺眼的光线。这种方法确实有所帮助，但有点像在黑暗房间里寻找萤火虫时用手遮住手电筒。尽管灯泡消失了，但杂散光仍然可能逃逸出来，压倒昆虫的光。在望远镜内部，这种杂散光可能来自机械边缘泄漏的光，或者来自镜面及涂层的微小瑕疵，这些瑕疵会将星光散射成斑点。所有这些都可能隐藏甚至伪装成一颗行星。 然而，罗曼望远镜的日冕仪将尝试今年之前在空间望远镜中完全未见过的事情：每次观测前，它会测量残余光并试图抑制它，这种技术被称为主动波前控制。 望远镜之所以能做到这一点，是因为它包含两块变形镜。每块镜子下方都有一块48×48的促动器（微型活塞）构成的棋盘格，覆盖在一层薄薄的可变形玻璃片上。施加少量电压会使促动器收缩，并将它们的镜面区域略微向后拉动，就像数千个微小手指在精细地雕刻表面。 效果非常微妙：每个镜面区域可以变形最多0.5微米，大约是大肠杆菌大小的四分之一，并且增量可小至约10皮米。JPL该仪器的项目系统工程师伊利亚·波别列日斯基说，这大约是氢原子直径的十分之一。 这些促动器使镜子能够创造“主动波前”，其中每个组件都被移动到完美位置，以抵消不需要的光波的入射波——有点像一对降噪耳机，不过是对光而不是声音。波别列日斯基说，“被抵消掉的光”会形成一个“围绕恒星的甜甜圈状区域，在那里我们抑制了星光，并希望看到系外行星。” 与当前基于空间的日冕仪相比，该系统预计将使对系外行星（相对于其宿主星的眩光）的灵敏度提高多达1000倍，揭示出以前因太暗而无法探测到的行星。 像哈勃和韦布一样，罗曼也使用光掩模，即放置在光路上的图案化板，旨在阻挡撞上它们的光子。罗曼掩模武器库中的一个工具是“硅草”，在一些掩模上的微观尖刺丛，可以在某些配置下吸收光子，使它们不会在望远镜内弹跳并意外到达探测器。 进入这片“树林”的光线在叶片之间越陷越深，被捕获而不是反射回相机。“一旦光进入那里，它就再也出不来了，”波别列日斯基说。镜子和掩模形成了一系列闸门和篱笆，引导尽可能多的保留的行星光线朝向最终探测器。 ### **外星木星** 这种精巧的设置可能开启系外行星直接成像的新篇章。迄今为止拍摄到的几乎所有系外行星都是超大号的“年轻体”，与太阳系中的居民完全不同：质量是木星的数倍，仍在散发诞生时留下的余热，轨道距离其恒星是地球到太阳距离的数十倍或数百倍。这是因为它们相对容易看到。它们的大小、温度以及与母星的距离使它们在红外光下明亮闪耀，远离最严重的恒星耀光。 然而，罗曼可以直接成像一颗真正的木星模拟体——一颗质量与木星相似、围绕类似太阳的恒星公转、轨道距离是地球到太阳距离的数倍的行星。不同于我们现在能看到的“热木星”，这颗行星将是一个更加成熟的类似我们太阳系的气态巨行星，在冷却了数十亿年后主要反射其母星的光，而不是大量发射自身的光。 天文学家已经能够通过行星对恒星施加的引力摆动推断出这类行星的存在。罗曼则将收集行星本身反射的星光。“我们不是在观察恒星。我们不是在观察行星对恒星的影响，”同样获得观测项目的约翰霍普金斯大学天文学教授梅雷迪思·麦格雷戈说，“我们实际上是在观察行星本身，这非常强大。” 一旦这个仪器可用，科学家的任务就真正开始。“说实话，我有点害怕我们将如何处理这些数据，因为我认为数据量太大了，”麦格雷戈说，“我认为人们将合理地在未来几十年里持续研究罗曼的数据。” 但别指望在接下来的几个月里看到外星木星的4K照片。罗曼无法将这样的行星分辨成一个实心球体——充其量，它看起来可能像一撮像素。不过，麦格雷戈说，这已经足够了，因为罗曼随后可以使用日冕仪获取来自行星的不同波长的光信息，这可以告诉天文学家关于其大气化学成分的信息。 “你把一个光点变成了一个真实的世界，”她说，“因为如果你知道了它的大气信息，你就知道了关于行星表面以及生命存在于那颗行星上的可能性，对吧？所以这是一大步。” 在首次观测期间，科学家和工程师将验证他们能否将一颗恒星精确固定在日冕仪掩模的中心，塑造镜面，“挖出”暗色的甜甜圈（正如波别列日斯基所描述的那样），然后在航天器在太空中运动并主动改变温度时保持一切稳定。 这些结果将为NASA提议的宜居世界天文台提供信息，这是许多系外行星天文学家的梦想，理论上它将能够区分类地行星的光和比其亮100亿倍的类太阳恒星的光。 自2018年以来一直从事该仪器的克里格对这一成就感到自豪：“没有多少人能说，‘我建造了一个东西，它正在拍摄一颗位于50光年或100光年外恒星周围的行星的照片。’”他想象着他和团队能够看到第一张图像到来的时刻：“是的，我们做到了。”尽管行星可能只显示为一个微小的点，但罗曼的成就将是它围绕那颗行星工程制造的黑暗。

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