他要把地球變成一個巨大的放大鏡

ELT和其他望遠鏡的主鏡面積比較。| 圖片來源：Wikimedia Commons

在未來十年的某個時刻，歐洲特大望遠鏡（ELT）將會完工，到那時，它將成為世界上最大的望遠鏡。ELT的主鏡直徑約為40米，從上面這張圖中，我們可以看到它和其他知名望遠鏡的大小對比。

越來越大的望遠鏡意味著越來越強大的集光能力，但自然也意味著越來越昂貴的造價。那麼，除了一味地建造大型望遠鏡之外，我們還能做些別的嗎？

哥倫比亞大學的天文學家David Kipping有了一個絕妙的想法。他想要將一個太空望遠鏡置於比月球還要遠的地方，接著利用地球大氣層的聚焦能力，將暗淡天體的亮度放大數萬倍。

Kipping將這樣一個望遠鏡稱為地球鏡（Tarrascope）。由地球鏡所產生的圖像的美麗程度自然無法與哈勃太空望遠鏡相媲美，畢竟地球的大氣是易變的。但是，它能發現現有望遠鏡無法發現的天體，比如那些非常微弱的小型系外行星，或者是那些能對地球造成威脅的小行星。

地球鏡可以利用大氣層作為透鏡，將遙遠物體的光放大22500倍。| 圖片來源：James Tuttle Keane

雖然，這個想法還過於新穎，但我們已經具備了必要的技術。Kipping將這些想法寫成論文，發表在了arXiv上。許多讀過論文的天文學家都驚嘆於他對這一問題的深遠思考，並認為這是一個有趣的思想實驗。但他們普遍認為還有許多細節需要仔細思考，才能得到更多的證據來證明這個想法真的能奏效。

2.

Kipping致力於搜索其他行星系統中的衛星，去年，他在距地球8000光年外的地方，找到了一顆海王星大小的天體，這很可能是第一顆確認的系外衛星。

第一顆系外衛星或許是一個海王星大小的世界圍繞著一個木星大小的行星。| 圖片來源：Dan Durda

早在13年前，Kipping就萌生了地球鏡的想法，當時，他正在研究一種名為綠閃光的罕見大氣現象，這種現象出現在太陽落下地平線之後，大氣的折射和散射一起作用，暫時性地從陽光中選出綠色的光。

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他意識到，當太陽從地球的後面經過時，太陽光會因環繞在地球周圍的空氣環而發射折射，那麼如果這時我們處於一個正確的位置上時，就有可能看到一個完整的綠色光環。

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Kipping的另一個靈感來源，是太陽本身就可被用作透鏡這一想法。太陽的引力能將光聚焦到一個太空探測器上，這樣一個太陽透鏡能將光放大百萬甚至十億倍，如此一來就有可能將系外行星的表面帶進視野。

由這個想法應運而生的是歐洲航天局在1993年計劃的FOCAL任務。但它從未得到真正的關注，因為這需要將探測器放置在日地距離550倍的位置上，比海王星還要遠將近20倍，是一個航天器需要飛行一個世紀才能抵達的距離。

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但地球鏡卻可以離我們更近。Kipping計算出，在地球正後方的天體所發出的光會在擦過地球表面後發生偏轉，然後聚焦到地月之間的一個點上，處於地月距離85%的位置上。

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能抵達那個焦點的光很可能會在穿過低層大氣時遇到雲層和大量的湍流。但是，如果將探測器移到150萬公里以外，也就是聚焦到一個比月球距離遠4倍的地方，那麼它就能收集到來自平靜得多的、沒有雲的平流層的光線。

在這個距離上，如果用一個1米的望遠鏡觀測一整夜，就將看到一個天體的亮度被提高到原來的22500倍，這相當於使用了一個150米的望遠鏡。這是非常強大的放大能力，使得地球鏡可以探測到光芒十分微弱的天體，以及非常明銳地識別出亮度出現的極微小變化。因此它能在掃描天空時尋找那些非常小、非常暗的小行星，也能在小型的系外行星經過明亮的恆星之時，捕捉到亮度出現的微小變化。

為了避免受到地球明亮的光的干擾，這個望遠鏡還需要一個日冕儀的遮罩來遮擋它。但Kipping還沒有考慮到「大氣輝光」的影響，這是一種通過發光和其他過程從上層大氣中發出的昏暗的光。但他指出，可以利用濾鏡或數碼技術來消除這種發光。他認為，用一個便宜、烤麵包機大小的CubeSat任務，就可以對這一概念進行檢驗。

3.

有天文學家認為，大氣的變化很可能會嚴重降低地球鏡的圖像質量。若要評估這種影響，下一步研究人員應該用真實的地球大氣模型進行光線追蹤分析。理想情況下，這個巨型透鏡應該能將光線聚焦到一個點上。但現實情況下，可能會得到一些有斑點的圖樣。

謹慎的天文學家們認為，地球的大氣層是個非常不理想的透鏡，它會產生非常模糊的圖像。但它或許可以成為一個研究微弱天體的亮度變化的工具，將它變成一個巨大的光的放大鏡。

至少，Kipping已經成功地讓其他天文學家開始研究這個想法，雖然幾乎沒有人會基於這篇論文就發射一個航天器，但至少這是朝這個方向前進的出色的第一步。

參考來源：

[1] https://www.youtube.com/watch?v=jgOTZe07eHA

[2] https://www.sciencemag.org/news/2019/08/space-telescope-would-turn-earth-giant-magnifying-lens

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