利用引力透镜探测遥远行星
##
大质量天体使光线发生弯曲，从而产生了一种叫做引力透镜效应的现象。
美国国家航空航天局太空望远镜科学研究所
美国国家航空航天局（NASA）的南希格雷斯罗马太空望远镜已发射升空，开启了一段将使其远离地球约一百万英里的旅程。
到达那里后，罗马太空望远镜将研究天文学中一些重大的未解之谜，从暗能量到星系的形成。
它还将搜寻其他恒星周围的行星，即系外行星，不过会采用一种颇为独特的方式。
罗曼将能够发现许多这类奇异的天体，而无需直接观测行星本身。
它将通过监测遥远恒星短暂变亮的现象来实现这一目标。
这一策略奏效的原因是爱因斯坦引力理论中一个较为奇特的推论：引力可以使光线弯曲。
在合适的条件下，一颗恒星，甚至是一颗行星，都能像一个天然放大镜一样发挥作用。
这种现象被称为引力微透镜效应。
一幅罗马望远镜前往拉格朗日L2点途中的艺术渲染图。
美国国家航空航天局
作为一名系外行星科学家，我研究如何探测和了解太阳系之外的行星。
这一领域面临的一个挑战是，没有一种单一的观测技术能够发现所有类型的行星。
引力微透镜令人兴奋，因为它就像一种工具，能帮助天文学家找到用其他方法难以发现的行星。
引力是如何起到放大镜的作用的呢？
想象你正在观测一颗非常遥远的恒星。
在你与这颗恒星之间，恰好有另一颗恒星几乎直接穿过你的视线方向。
这两颗恒星实际上可能相距数千光年，但从你的视角看，它们似乎排成了一条直线。
根据爱因斯坦的广义相对论，物体的质量会使周围的空间弯曲。
在弯曲空间中传播的光线也会沿着弯曲的路径行进。
因此，当前景恒星几乎精确地经过更遥远的恒星前方时，它的引力会将背景恒星的部分光线弯折向你。
结果令人惊讶：前景星不仅不会遮挡远处的恒星，反而会使它看起来更亮。
这就像透过放大镜看东西，只不过没有玻璃。
透镜本身就是引力。
由于恒星在我们的星系中不断运动，这两颗恒星只会暂时对齐。
随着两颗恒星不再对齐，背景恒星会逐渐变亮，然后变暗。
现在，添加一颗行星。
如果前景恒星有一颗行星绕其运行，该行星的引力也会影响来自遥远恒星的光线。
它会在原本平滑的增亮模式中产生额外的短暂扰动。
天文学家测量这些亮度变化，并可以利用这一微小偏差推断出那里存在一颗行星。
引力会扭曲光线，因此当一颗恒星从更遥远的恒星前方经过时，天文学家会看到亮度水平出现峰值——而当有行星围绕该恒星公转时，他们还能看到一个较小的次级峰值。
欧洲南方天文台卢卡斯卡尔萨达，知识共享署名相同方式共享许可协议
值得注意的是，即使行星本身过于暗淡且距离过于遥远而无法直接观测到，这种技术也可能有效。
罗曼将观看数亿颗星星。
引力微透镜有一个难点：天文学家不能简单地选定一颗恒星，然后等着它对另一颗恒星产生引力透镜效应。
必要的排列组合是偶然发生的，而且一旦一个事件结束，完全相同的排列组合通常永远不会再次出现。
因此，解决方案是持续观测大量恒星。
这正是罗曼太空望远镜将要开展的工作。
作为其银河系核球时域巡天项目的一部分，罗曼太空望远镜将反复观测朝着银河系拥挤中心的六个视场。
它将监测数亿颗恒星，在六个密集观测季期间，大约每12分钟对其主要巡天视场进行一次观测。
罗马并不知道哪两颗恒星会恰好对齐。
相反，它将如此频繁地观测这么多的恒星，以至于其视野中应该会出现大量这种罕见的对齐现象。
美国国家航空航天局（NASA）预计通过引力微透镜效应，此次勘测将发现1000多颗处于相对较宽轨道的行星。
这一类别特别有价值，因为如今已知的大多数系外行星都绕其恒星近距离公转；罗曼太空望远镜将探测行星系统中更寒冷、更遥远且仍未得到充分探索的区域。
罗曼望远镜特别适合这项任务，因为它将太空望远镜敏锐的红外视力与异常宽广的视野相结合。
这种结合使它能够反复对大量恒星进行成像，即使是在我们银河系中心附近极其拥挤的区域。
搜寻行星
Romanprovidesastrongexampleofhowdifferentplanethuntingtechniquescomplementeachother.Whilethetelescope’sGalacticBulgesurveyisdesignedtoprimarilysearchformicrolensingevents,Romanwillalsorepeatedlymeasurethebrightnessofhundredsofmillionsofstarsalongtheway.Thoseobservationsshouldrevealaround100,000transitingplanets. translation Roman提供了一个strong例子，表明不同的行星搜索技术可以相互complement。
虽然天文学家使用GalacticBulge调查来主要搜索微lensing事件，但Roman也将反复测量数百万颗恒星的明度。
这些观察应该揭示大约100,000个transiting行星。
NoteThistranslationisaccurateanddoesnotcontainanyfalseinformation.Ifyouhaveanyotherquestionsorneedfurtherassistance,pleaseletmeknow.
这是一种截然不同的寻找行星的方法：当行星从我们的视角经过其恒星前方时，就会发生凌星现象，它会遮挡恒星一小部分光线，导致恒星稍微变暗。
两类行星——通过微引力透镜法发现的行星和凌日行星——应该看起来截然不同。
凌日法更有利于发现那些离恒星较近的行星，尤其是那些体积较大、能遮挡更多星光且公转周期较短的行星。
相比之下，微引力透镜法对轨道半径较大的寒冷行星特别敏感，包括类似我们太阳系外行星的那些行星。
所以罗曼实际上会以两种相反的方式使用同一组图像。
一颗周期性变暗的恒星可能表明有行星正在凌日，而一颗暂时变亮的恒星可能表明存在引力透镜。
但还有更多情况。
微引力透镜效应可以揭示那些根本不围绕恒星运转的行星。
这些所谓的自由漂浮行星或流浪行星，可能是在它们形成的行星系统中被抛射出来的，现在独自在星系中穿行。
由于微引力透镜效应依靠的是引力，而非行星或其主恒星发出的光，所以当这些黑暗、孤立的天体从遥远的背景恒星前经过时，也能显露踪迹。
引力微透镜效应能让望远镜探测到不环绕恒星运行的行星，其原理是使来自背景恒星的光线在行星周围发生弯曲。
美国国家航空航天局艾姆斯研究中心喷气推进实验室加州理工学院T.派尔
构建行星系统的普查
最终，罗马（Roman）计划证明了采用多种行星探测技术的重要性。
到目前为止，科学家们已发现的数千颗系外行星并非银河系中所有行星的无偏差样本。
他们能发现什么，部分取决于望远镜最擅长探测什么。
罗曼的微引力透镜巡天观测将通过测量处于较宽轨道上的行星数量，填补这一图景中的重要空白，而此前的巡天观测对这类行星的探索远不够全面。
将罗曼获得的大量凌星行星样本与其他望远镜的发现相结合，这些观测将有助于天文学家解答系外行星科学中最基本的问题之一：自然界实际上会形成什么样的行星系统？
罗曼将利用大自然自身的望远镜之一：引力本身来完成那件事。
相关知识（天文术语）
引力透镜是爱因斯坦广义相对论预言的现象：大质量天体（如星系或黑洞）会弯曲周围时空，使经过其附近的光线发生偏折，类似光学透镜的效果。
这种效应可放大、扭曲或复制遥远背景天体的图像，成为天文学家探测暗物质、测量宇宙膨胀及研究早期星系的重要工具。
BY: Thomas Fauchez
FY: AI
如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除
引力弹弓不用遵守能量守恒定律？为什么绕着行星转一下可以加速？
核废料是人类长期面临的一大难题，它数量庞大，其危险性会持续数万年之久，而人们至今仍未真正找到妥善处置的办法。既然如此，为什么不干脆用火箭把核废料送上太空，直接扔进太阳里烧掉呢？ 这个设想看似简单直接，但仔细分析就会发现问题重重。
首先，把核废料装上火箭本身就极其危险。
火箭在发射过程中偶尔会发生爆炸事故，一旦装载核废料的火箭在升空时爆炸，就会瞬间变成一枚威力巨大的"脏弹"，把放射性物质散布到广阔区域，后果不堪设想。
不过，除了发射风险之外，还有一个更为根本的原因——想要真正把物体送进太阳，其实非常非常困难。
乍看上去，飞向太阳应当是件容易的事，毕竟太阳的引力一直在把万物往它那里拉。
然而事实并非如此。
地球以及地球上的一切物体，都在以极高的速度绕着太阳做侧向运动。
当我们朝太阳"下落"的同时，也在以惊人的横向速度从它旁边掠过，结果就是一次次与太阳擦肩而过。
要想真正撞进太阳，就必须把这种侧向速度降下来，让飞行器不再横着飞。
而且这种减速必须彻底——只要还残留哪怕一点点侧向速度，飞行器就会与太阳失之交臂，绕着它兜一圈甩出去，而不是一头栽进去。
那么，需要把速度降低多少呢？ 地球连同地球上的一切，都在以大约每秒30公里的速度围绕太阳运行。
这意味着，要让飞行器停止绕日运动、直接坠入太阳，就必须让它相对于地球以每秒30公里的速度向后加速，才能抵消这份公转速度，实现"太阳跳水"。
而且必须减到几乎为零，一点都不能剩。
每秒30公里究竟有多快？做个对比就一目了然。
从地球轨道出发，只需要比地球再快约每秒11公里，就足以彻底摆脱太阳的引力束缚，飞出整个太阳系。
换言之，把飞行器送出太阳系，比让它撞进太阳还要容易得多。
这一点值得再重复一遍：从能量消耗的角度看，前往其他恒星所需要的加速度，竟然比抵达身边这颗太阳还要小。
听起来匪夷所思，但事实确实如此。
而事情还可以变得更加违反直觉。
由于天体引力的强弱与距离密切相关，物体离太阳越近，所在轨道就越小，绕太阳的公转速度也就越快。
以太阳系的行星为例，水星绕太阳一圈的速度大约是地球的一点五倍，而遥远的冥王星速度只有地球的六分之一。
这就带来一个有趣的推论：从水星出发反而比从地球出发更难撞进太阳，尽管水星离太阳近得多。
原因在于，要在水星轨道上停下来，飞行器需要以每秒48公里的速度向后加速，比在地球轨道上所需的每秒30公里还要大得多。
相反，从冥王星轨道出发反而轻松得多——只需要以每秒5公里的速度反向加速，就足以让飞行器摆脱缓慢的公转速度，径直坠入太阳。
正因为如此，如果单纯依靠火箭动力来完成撞日任务，最高效的做法反倒是先把飞行器送到外太阳系去。
因为在外太阳系公转速度大幅降低，随后再进行第二次点火，抵消掉那微弱的横向速度，飞行器就能沿着近乎笔直的路径直接落向太阳。
这也正是美国国家航空航天局早期在规划太阳探测任务时，之所以曾提出让探测器先飞往木星轨道的原因——绕道外太阳系反而更容易减速、更容易接近太阳。
不过，任务规划人员最终并未采用这一方案，而是选择让探测器多次借助金星的引力弹弓效应逐步减速，从而节省宝贵的燃料，一步步靠近太阳。
至于引力弹弓具体是如何运作的，那就是一个值得单独展开的话题。
它是人类发射太空探测器时经常会使用到的一种加速方式，简单来讲，这种方式能够利用行星的引力把探测器"甩"出去，从而为探测器提供额外的速度。
借助这一手段，探测任务所需要的燃料和飞行时间都能被大幅压缩，因此几乎成了深空探测的标配技术。
不过，如果对这个过程稍作推敲，就会发现它并不像"绕一圈就加速"那样简单。
在多数人的印象中，引力弹弓的画面大致是这样的：探测器首先朝着某颗行星飞近，然后被行星的引力抓住、绕着它转上一圈，等到被甩出来的时候，速度就比进入时更快了。
听起来顺理成章，可只要多想一步，就会隐隐觉得有点不对劲。
问题的关键在于能量守恒。
当探测器靠近行星时，行星的引力做正功，探测器会被加速；可当它绕过近拱点、再从行星旁边远离时，同一份引力又会做负功，把刚刚获得的动能重新拉回去。
一进一出、加加减减，探测器相对于行星的速度理应回到原点，怎么会平白多出一截呢？ 真正让这个"魔术"成立的，是参考系的切换。
相对于行星本身，探测器的速率进出确实几乎不变，弹弓过程只改变了它的飞行方向；但相对于太阳来说，行星本身也在高速公转，探测器借用的其实是行星绕日运动的那份动能。
行星在把探测器"甩"出去的同时，自身的公转速度会被极其微弱地拖慢一点，只不过行星的质量远远大于探测器，这份损失小到根本无法察觉。
所以，引力弹弓从来没有违反能量守恒定律，它只是把行星公转的动能借了一小勺给探测器。
理解了这一点，再回头看撞日任务为何要反复利用金星减速，也就顺理成章了——同样是引力弹弓，一次次借用行星的动量，就能把公转速度这道最难迈过去的坎，一点点悄悄磨掉。
一光年有多远？人类探测器飞了50年，才飞了一光天？
一光年到底有多远？为什么人类的探测器飞了快五十年，却连这段路的百分之一都没走完？ 更扎心的是，就算你真的飞到一光年外，也还没到最近的另一颗恒星。你甚至可能还在太阳系外围，连这片家门口的荒地，都没有彻底穿过去。
你肯定听过答案：一光年，大约九万四千六百亿公里。
可这个数字太大了。
多念一个零，少念一个零，对你的感觉几乎没有区别。
所以这一次，我们换一把尺子。
把太阳缩成一颗直径两点五厘米的玻璃球，放在你面前。
地球跟着缩小，只剩一粒细沙那么大。
你把它放到距离玻璃球两米七的位置，地球轨道就摆好了。
接下来往外走。
走过木星、土星，一直走到八十多米外，你终于放下海王星。
整个八大行星的地盘，看起来也就一个足球场的尺度。
那么，一光年的刻度，应该放在哪里？球场外面？隔壁街道？还是城市另一头？ 都不够。
你得从这颗玻璃球出发，走出去大约一百七十公里。
记住，地球才在两米七外。
海王星才在八十多米外。
而你现在要跨过的，是一段足以连接两座城市的距离。
沿途绝大多数地方，连一颗行星都没有。
你以前看到的太阳系示意图，把行星挤得整整齐齐，却很难让你真正感受到，它们之间到底空成什么样。
如果把人类的探测器，也放进这套模型呢？ 旅行者一号，一九七七年出发，掠过木星和土星，一路飞向太阳风影响之外。
它每秒能飞十七公里。
你眨一下眼，它就已经越过一座城市的一部分。
可持续飞行近半个世纪，它在这套模型里，也不过走到距离玻璃球几百米的地方。
前面那条通往一光年的路，依然长得几乎看不到尽头。
按每秒十七公里算，飞完一光年，需要大约一万七千六百年。
你出发时留下的城市，可能已经消失。
你说的语言，可能早就没人听得懂。
而飞船，还在赶路。
你可能觉得，这不公平。
旅行者一号毕竟是几十年前的技术。
换一台快得多的探测器，总能把时间压下来吧？ 帕克太阳探测器，在最接近太阳时，速度能达到每小时约六十九万公里。
假设它能一直保持这样的速度，飞完一光年，仍然需要一千五百多年。
而且，这已经是一个过于理想的假设。
帕克的极速，来自它沿轨道冲向太阳时的加速。
离开太阳之后，它会减速。
那个惊人的纪录，不能直接变成一张通往恒星的车票。
不过，先让我们跳过这些困难。
假设未来的你，终于抵达一光年外，在那里建起了一座太空站。
你回头看，太阳还看得见吗？ 看得见。
它不会彻底淹没在星海里，仍然会是一颗非常明亮的星。
但你熟悉的金色圆盘消失了，剩下的，只是一个指向家的光点。
抵达这里的阳光，比地球附近微弱了约四十亿倍。
能看见它，不代表还能靠它照亮身边的世界。
就像远处一盏灯，你知道它亮着，脚下却依旧一片漆黑。
至于地球，那颗你想念的蓝色星球，肉眼已经根本找不到。
它自己不会发出可见光，只能反射太阳的光。
那一点微弱的亮度，几乎淹没在太阳旁边。
更让人难受的是，就算设备足够好，让你看清了家乡，你看到的，也是一年前的地球。
因为光从那里来到你的眼睛，已经走了整整一年。
这时候，你想给家里发一条消息。
今天是家人的三十岁生日。
你对着镜头说出生日快乐，按下发送。
消息离开天线，穿过黑暗，等它抵达地球，那个人已经三十一岁了。
对方看完，立刻回复一句谢谢。
你再收到这两个字时，又过去一年。
一来一回，两年。
这里最奢侈的东西，可能就是一次普通的聊天。
你问家里今天怎么样，等到回答抵达，那个今天，早就变成了两年前。
你换更好的天线，能让画面更清楚，声音更清晰，却不能把这一年变成一秒。
无线电和激光，在真空中都以光速传播。
设备可以升级，距离带来的等待，却不会自动消失。
如果太空站突然出了故障呢？你向地球求救，就算那边的人收到后立刻想出解决办法，操作指令也要等两年，才能回到你手里。
真正走进星际空间，你得先学会自己解决问题。
因为在这里，连一句别着急，都可能来不及。
可一光年外，到底有什么在等你？ 没有一堵墙，没有一条天然边界，也没有一颗刚好停在那里、等你登陆的星球。
这只是人类在宇宙里画下的一道刻度。
我们认为，远离行星轨道的地方，还分布着奥尔特云中的冰冷天体。
它的范围仍有不确定性。
一光年的终点，甚至可能还没有超出这片遥远的区域。
穿过太阳风形成的边界，和离开所有绕太阳运行的天体，并不是同一件事。
而最近的另一颗恒星，比邻星，距离我们约四点二四光年。
你费尽力气走完这一光年，连去它那里的四分之一路程，都还没走到。
所以，下次再听见一光年，不妨想想那颗玻璃球。
地球在两米七外，你站在一百七十公里外。
脚下没有路灯，没有补给，也没有能立刻回答你的人。
而这段让人类飞上一万多年、让一句问候往返两年的距离，在宇宙里，却只是尺子上最开始的一个刻度。
