借助“直接成像”，系外行星也能“眼見(jiàn)為實(shí)”

出品：科普中國(guó)

作者：董志川（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

在日常生活中，我們更傾向于相信能直接看到的、更加直觀的事物。其實(shí)不僅是生活，科學(xué)研究也是一樣?？萍覀兛释麑?shí)現(xiàn)研究結(jié)果的“眼見(jiàn)為實(shí)”，這并不僅僅是一種對(duì)科學(xué)真相的追求，也具有實(shí)際的應(yīng)用意義，同時(shí)還是為了實(shí)現(xiàn)宏大科學(xué)目標(biāo)的迫切需要。

例如，天文學(xué)有時(shí)候就需要“眼見(jiàn)為實(shí)”。

2008年，科學(xué)家用“直接成像法”拍攝到一個(gè)系外行星系——HR8799行星系。經(jīng)過(guò)12年的持續(xù)觀測(cè)，近日，美國(guó)西北大學(xué)天體物理學(xué)家Jason Wang發(fā)布了一段延時(shí)視頻，清晰地展示了HR8799行星系中4顆行星是如何圍繞恒星運(yùn)行的。

HR8799行星系中4顆行星圍繞恒星運(yùn)行視頻

（圖片來(lái)源：科學(xué)網(wǎng)）

這只是“直接成像法”的應(yīng)用場(chǎng)景之一。天文學(xué)家在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的重要目標(biāo)之一，就是緊盯系外行星，對(duì)其進(jìn)行直接成像。

系外行星直接成像難在哪兒？

對(duì)科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，系外行星直接成像探測(cè)在技術(shù)上非常具有挑戰(zhàn)性。因?yàn)樾行枪夥浅Ｈ酰阈枪夥浅?qiáng)，所以通常情況下，行星光會(huì)被淹沒(méi)在恒星強(qiáng)光之下，難以被直接探測(cè)到。直接探測(cè)系外行星的難度，就像是在探照燈旁尋找微弱的螢火蟲(chóng)。

因此，要直接“看到”行星的信號(hào)，需要借助一種特別的方法——高對(duì)比度成像星冕儀技術(shù)。星冕儀可以通過(guò)各種調(diào)制技術(shù)來(lái)抑制恒星強(qiáng)光，在最終像面特定區(qū)域內(nèi)獲得高對(duì)比度成像，使得暗弱的行星能夠成像。

“直接成像、眼見(jiàn)為實(shí)”的迫切追求

為什么我們總有執(zhí)念，迫切地想“直接成像、眼見(jiàn)為實(shí)”呢？這是因?yàn)?，有的時(shí)候，如果沒(méi)法直接成像的話，可能還真解決不了更為本質(zhì)的難題。

在很多電影中，一些鏡頭可能會(huì)讓人產(chǎn)生疑問(wèn)。

在電影《侏羅紀(jì)公園》中，明明足夠高科技的戰(zhàn)機(jī)，一到需要擊落翼龍的時(shí)候，好像就瞄不準(zhǔn)了。電影《哥斯拉》中，紅外導(dǎo)彈無(wú)法鎖定冷血的爬行動(dòng)物哥斯拉巨獸，以至于頻頻脫靶。

翼龍

圖片來(lái)源：https://www.earth.com/

這些出現(xiàn)在科幻電影里的高科技戰(zhàn)機(jī)，按理說(shuō)應(yīng)該具備最頂尖的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，為什么總是打不準(zhǔn)人眼可以輕易瞄準(zhǔn)的恐龍或者巨獸呢？

這是因?yàn)轱w機(jī)和導(dǎo)彈被設(shè)計(jì)出來(lái)的初衷，根本不是要瞄準(zhǔn)翼龍或哥斯拉。在雷達(dá)眼中，它只關(guān)注存在于目標(biāo)身上的金屬反射面。而在紅外探測(cè)制導(dǎo)的導(dǎo)彈眼中，或許它的目標(biāo)僅僅是熱源而已。

紅外熱成像

（圖片來(lái)源：veer）

人類明明用眼睛直接就能看到這些大型生物，為什么像雷達(dá)和熱成像等精密的武器識(shí)別技術(shù)反而不管用了？難道沒(méi)有以目視制導(dǎo)或以圖像識(shí)別為制導(dǎo)方式的導(dǎo)彈嗎？

其實(shí)目前也有基于目視或電視制導(dǎo)的導(dǎo)彈，但多數(shù)用途是打擊裝甲車(chē)、坦克等慢速目標(biāo)，或攻擊地面上的固定目標(biāo)。而且，如果僅靠人眼來(lái)攻擊飛行目標(biāo)，“攻擊窗口”的范圍也實(shí)在有限。我們追求的“眼見(jiàn)為實(shí)”，并不僅僅局限于我們目之所及的范圍，而是把目光不能到達(dá)的地方，也用直觀的形象展示在我們面前。

“導(dǎo)彈打翼龍”的困難給我們帶來(lái)的啟示是：“直接成像、眼見(jiàn)為實(shí)”，仍然是非?？煽康哪繕?biāo)識(shí)別手段和特征考察的辦法。

間接感知——系外行星目前的探測(cè)手段

天文學(xué)的研究也是一樣，我們現(xiàn)在對(duì)于行星的探測(cè)，較為成熟的手段有掩星法、視向速度法、天體測(cè)量法、重力微透鏡法與直接成像等。除少數(shù)之外，這些辦法都是對(duì)目標(biāo)間接的感知與探測(cè)。

間接的感知與探測(cè)，仍然可以用電影中的場(chǎng)景來(lái)說(shuō)明。呈現(xiàn)在戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)屏幕上的翼龍，并不是翼龍本身，而只是翼龍的雷達(dá)反射波信號(hào)或紅外熱源圖，這些只是對(duì)翼龍身體的“附屬效應(yīng)”的探測(cè)，是一種間接探測(cè)感知手段。目前我們成功發(fā)現(xiàn)的系外行星，大部分都是利用這些間接效應(yīng)。

人類第一次發(fā)現(xiàn)系外行星是在1992年，波蘭科學(xué)家使用了“脈沖星計(jì)時(shí)法”。采用這種方法，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞一顆名叫PSR B1257+12脈沖星的兩顆行星。雖然這是人類的首次突破，但脈沖星并不是嚴(yán)格意義上的類似太陽(yáng)的恒星。

PSR B1257+12脈沖星藝術(shù)圖

（圖片來(lái)源：wiki）

人類發(fā)現(xiàn)的真正意義上的第一顆系外行星應(yīng)該是在1995年，科學(xué)家以視向速度法所發(fā)現(xiàn)的飛馬座51b。發(fā)現(xiàn)者米歇爾·邁耶爾與他的學(xué)生迪迪埃·奎洛茲因此獲得2019年諾貝爾獎(jiǎng)。

采用掩星法暫時(shí)是發(fā)現(xiàn)系外行星最多的辦法，多于70%的系外行星是通過(guò)這種辦法被發(fā)現(xiàn)。

而天體測(cè)量法雖然是最早用于搜索系外行星的辦法，但截至2018年，只有一顆于2010年發(fā)現(xiàn)的HD 176051b，是迄今為止唯一的一顆確認(rèn)由天體測(cè)量法發(fā)現(xiàn)的系外行星。

但是我們的研究絕不僅局限于此，我們總想“眼見(jiàn)為實(shí)”，這樣才能更好地感知我們研究的對(duì)象，進(jìn)而研究它。這并不是一種執(zhí)念，而是進(jìn)一步科學(xué)分析的需要。

直接成像——天文學(xué)家更想“眼見(jiàn)為實(shí)”

如果人類能成功把一顆系外行星直接成像，親眼看見(jiàn)它，那么我們就能更好地分析它的外形、元素組成，以及獲得其光度、溫度、大氣、軌道等最直接與最豐富的信息，甚至直接考察它的地形地貌(雖然實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)是相當(dāng)困難)。

如果能做到這一點(diǎn)，無(wú)疑相當(dāng)于對(duì)遙遠(yuǎn)的陌生系外行星拍攝了一張清晰無(wú)比的高像素的“證件照”，實(shí)現(xiàn)了“建檔立卡”。如此一來(lái)，這樣能夠更便于科學(xué)家們進(jìn)一步判斷遙遠(yuǎn)的系外行星有無(wú)生命的訊息。

開(kāi)頭提到的物理學(xué)家Jason Wang就努力用這種直觀的方法向人們展示了行星的運(yùn)動(dòng)軌跡。他曾說(shuō)到，“天文事件要么發(fā)生得太快，要么太慢，無(wú)法通過(guò)視頻展現(xiàn)。但這段‘肉眼清晰可見(jiàn)’的視頻則直觀地顯示了在人類時(shí)間尺度上移動(dòng)的行星，我希望它能讓人們享受到美妙的東西?！?/p>

高對(duì)比度成像星冕儀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)助力“眼見(jiàn)為實(shí)”

幸運(yùn)的是，在直接成像的道路上，中國(guó)的研究人員們已經(jīng)取得了一些成果。中國(guó)科學(xué)院南京天光所系外行星探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，建立了一套通用的高對(duì)比度成像星冕儀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的成像對(duì)比度，研究人員們開(kāi)展了基于“核心功能器件”散斑噪聲消除技術(shù)以及波前重構(gòu)算法方面的研究工作。初步目標(biāo)是將該系統(tǒng)成像對(duì)比度提升一個(gè)(到兩個(gè))數(shù)量級(jí)，對(duì)年輕巨行星進(jìn)行直接成像；長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)仍是努力使系統(tǒng)成像對(duì)比度實(shí)現(xiàn)對(duì)類地行星的直接成像。

大家更為熟悉的詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)樵谔罩袥](méi)有大氣的干擾，能更好地完成直接成像這一使命。而且，目前韋布望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)小試牛刀，展示了它具有對(duì)系外行星直接成像的能力。我們中國(guó)科學(xué)家也開(kāi)始借鑒同樣的思路，把該系統(tǒng)移植到太空中，“搬”到現(xiàn)在正在建設(shè)中的、并日臻完善的空間站上，以期實(shí)現(xiàn)無(wú)大氣湍流干擾的高對(duì)比度條件下的“安靜”成像。

韋布望遠(yuǎn)鏡

（圖片來(lái)源：維基百科）

相信未來(lái)，科研人員們能夠達(dá)成更高的成像對(duì)比度，并能將這套系統(tǒng)進(jìn)行更廣泛的應(yīng)用，甚至是幫助人類尋找宜居的第二家園。

編輯：郭雅欣