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        1. 沒三體里的魔法,怎么向宇宙“廣播”?這個神奇的環是關鍵!

          科普中國
          公眾科普,科學傳播。
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          今年,科幻小說《三體》終于被搬上了熒屏,讓三體迷好好過了一把癮。在《三體》中有這樣一個情節:葉文潔利用太陽放大了紅岸基地發射的信號,使信號得以被三體人接收。在現實世界中,科學家還沒擁有葉文潔的魔法,不能利用太陽向無垠的宇宙全域廣播發自地球的信號。

          沒有辦法了嗎?有。有一種方法能利用太陽定向地放大我們發送和接收到的信號。這要從一百多年前的一次著名日食觀測說起。

          一、引力使光線偏折?1919年這次日全食觀測證實了!

          1916年,愛因斯坦發表了廣義相對論,顛覆了牛頓力學對引力的表述,廢除了對空間和時間的傳統觀念,從而搭建了一個物理學的全新框架。

          在廣義相對論下引力會造成時空彎曲,因此光線受到引力的影響也會彎曲。

          愛因斯坦計算出太陽引力產生的光線偏折僅僅有1.75角秒。

          隨即,英國天文學家戴森意識到,1919年5月29日的日全食將會提供一次絕佳的機會,測量太陽引力造成的光線偏折,從而檢驗愛因斯坦的預言。

          那次日全食,太陽位于明亮的畢星團(星團就是眾多恒星由于引力聚成的一團)前面,在食甚時分(太陽完全被掩蓋的時候),在這個星團里,多顆明亮的恒星都能被觀測到。這樣一來,只要把食甚時的恒星位置和太陽不在這個區域時的位置進行比較,就能知曉光線是否被太陽引力彎曲,也能得出偏折角度是多少。

          星團里恒星眾多,測量的恒星位置越多,就越能降低誤差。隨后,他們制定了詳細的觀測計劃:

          戴森作為總負責人留守英格蘭。

          愛丁頓和帶領一支隊伍去了西非的普林西比。他們這隊的運氣不太好,遭遇了多云天氣,但是還是拍攝了16張底片。

          克羅姆林帶領另一只隊伍去了巴西北部的索布拉爾。當時巴西的天氣條件要好一些,但他們的設備出了點兒毛病,拍出來的許多底片不太清楚。幸好他們同時使用一臺備用設備進行了觀測,最后發現備用設備的觀測結果更為關鍵(圖1)。當年11月,在倫敦的皇家學會和皇家天文學會聯合召開的特別會議上,他們集體宣布了測量結果,非常接近愛因斯坦的預測,驗證了廣義相對論,隨后成為全球性新聞 (圖1)。

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          圖1上:1919年11月22日倫敦新聞畫報的關于日全食觀測結果的新聞。下:100年后歐洲南方天文臺復原的在巴西索布拉爾拍攝的底片,黃色圓圈標記了附近的恒星。(來源:https://cseligman.com/text/sky/eddington.einstein.htm)

          二、愛因斯坦環引力使光線偏折而產生的現象

          引力使光線偏折,這類似于在光源前面放置了一個透鏡,因此也被成為“引力透鏡”效應。

          如果一個遙遠天體、透鏡天體(一個質量很大的天體)和地球恰好在一條直線上,而且三者之間的距離又剛好合適,使得在地球上觀測到“折射”光線匯聚在一起,所成的像就是一個環,這就叫“愛因斯坦環。

          在天文觀測中我們確實看到了很多愛因斯坦環,如圖2,中心黃色明亮的星系就是透鏡天體,周圍的藍色環就是被“折射”的更加遙遠的星系。透鏡天體就如同一個光學透鏡一樣,放大了遙遠天體的亮度和尺度。然而事實上,這只不過是由于引力效應導致光線偏折的現象。

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          圖2哈勃望遠鏡拍攝到的不同星系的引力透鏡效應產生的愛因斯坦環。(圖片來自 NASA/ESA/A. Bolton/SLACS Team)

          三、放大信號?要在距離太陽550個天文單位以外放望遠鏡→

          太陽是距離我們最近的大質量天體,占據了太陽系中超過99.8%的質量。100多年前的觀測已經證實:太陽可以使光線偏折,偏折的光線再匯聚一點,這點接收到的光線要比原來多的多。

          因此,我們可以將太陽作為一個透鏡天體,放大太陽背后來自遙遠天體的信號。

          太陽引力也可以產生愛因斯坦環,我們如何才能觀測到呢?(回顧一下前文所述的觀測到愛因斯坦環的條件)

          1、太陽背后的遙遠天體、太陽透鏡天體)、望遠鏡三者要連成一線;

          2、望遠鏡距離太陽越遠,觀測到的愛因斯坦直徑越大,而當愛因斯坦環大于太陽直徑,它才能被我們觀測到。

          那么,如何使愛因斯坦環大于太陽的直徑呢?這里有一個關鍵的參數——望遠鏡和太陽的最小距離。在遙遠天體、太陽、望遠鏡三者的連線上,比這個最小距離更遠的位置,都能觀測到愛因斯坦環(見圖3)。

          根據計算,望遠鏡距離太陽的最小距離大約是550天文單位(一天文單位是地球到太陽的距離),這相當于冥王星到太陽距離的14倍。而人類現有飛行最遠的探測器是旅行者1號和2號,它們已經飛行了40多年,才飛行了大約150天文單位。

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          圖3 太陽引力透鏡效應造成愛因斯坦環的示意圖。橙色方塊是能看到愛因斯坦環的最小距離,距離太陽大約550天文單位。橙色點線代表引力透鏡的聚焦線,在這條線上都可以看到愛因斯坦環(來源:作者制作)

          這里觀測到的愛因斯坦環的面積和信號的波長決定了信號能夠被放大的倍數。其中愛因斯坦環的面積取決于其直徑和寬度,而它的寬度就是望遠鏡的口徑。

          因此,放置的望遠鏡口徑越大、位置越遠,信號被放大的倍數就越高。比如,在600天文單位的距離放置一個1米口徑的望遠鏡,觀測到的愛因斯坦環可以把紅外波段的信號放大幾十億倍!

          如果我們把這個望遠鏡替換成一個信號發射器,朝向太陽發射信號,那么在相反方向的直線上,超過550天文單位的地方也可以觀測到由太陽引力產生的愛因斯坦環,可以相應地把信號放大幾十億倍。但是,放大信號的覆蓋范圍就很小很小了——小于一平方角秒,就像一束極窄的光束,只有在這個光束內的望遠鏡,才能探測到這個放大的信號。

          因此,如果我們想利用太陽放大向“三體人”發送的信號,或者監聽“三體人”的信號,需要在半人馬座α星(三體人母星的原型)和太陽的連線上、距離太陽550個天文單位以外放置一個發射器或者望遠鏡,這就可以大大節省發射信號所需要的功率,或者監聽到更微弱的信號。

          當然,我們現在還沒有在半人馬座α星的行星中發現任何生命存在的跡象,更沒有發現外星文明。

          四、朝著星際互聯網之夢,不斷前行!

          在這么遙遠的距離上放置一個發射器或者望遠鏡,對于現在的航天技術來說確實是一件很有挑戰的事情。但是并不妨礙科學家們進行概念性研究。

          早在1979年,天文學家Eshleman就提出了可以利用太陽引力透鏡效應進行星際通信。

          1993年,意大利天文學家Maccone向歐洲空間局提出了一個名為“FOCAL”的概念項目,發射一個飛船到550天文單位以外,利用太陽引力透鏡效應監聽外星文明的通信,后續還寫了很多篇論文和一本專著來論述和完善這個項目。

          1999年,噴氣推進實驗室的West在一篇論文中詳細介紹了NASA資助的一項概念研究,叫做“太陽引力望遠鏡”,探索利用太陽的引力透鏡效應進行天文觀測的可行性。

          近些年,NASA的創新先進概念研究計劃(NASA Innovative Advanced Concepts program,NIAC),連續資助了一個利用太陽引力透鏡對系外行星進行成像觀測的項目。

          我們不止可以利用太陽,也可以把其它恒星作為引力透鏡來放大信號。

          未來,我們人類派出探測器訪問半人馬座α星的行星,探測器的數據可以被它們的恒星放大后傳回太陽系,再利用太陽放大之后接收。

          在更遙遠的未來,當我們實現星際航行,探索廣袤的宇宙時,可以在恒星的引力透鏡的聚焦線上建立信息傳輸的節點,利用一顆顆恒星建立跨越星系的通信網絡,就像星際間的互聯網!

          參考資料:

          1. https://arxiv.org/pdf/1912.05587.pdf

          2. https://arxiv.org/pdf/1706.05570.pdf

          3. https://arxiv.org/pdf/2009.01866.pdf

          作者閆震 中國科學院上海天文臺 研究員

          策劃:翟國慶

          出品:科普中國

          監制:中國科學技術出版社有限公司、中科數創(北京)數字傳媒有限公司

          評論
          無限探索者
          大學士級
          科學家提出把太陽當放大鏡,尋到外星生命。在尋找外星生命的探索中,每一種潛在的創新技術和假想,都有助于提高解開這一宇宙謎團的可能性。
          2023-11-01
          遲海鵬
          少師級
          太陽可以使光線偏折,偏折的光線再匯聚一點,這點接收到的光線要比原來多的多。因此,我們可以將太陽作為一個透鏡天體,放大太陽背后來自遙遠天體的信號。
          2023-11-01
          追夢人C·hui
          太師級
          科幻為科學研究發展指明了方向,不遠的將來,“星際間的互聯網”,將為我們探索廣袤的宇宙提供一個跨越星系的通信網絡!未來可期!
          2023-11-01
          韩国女主播裸奶头大尺度,久久久精彩视频,欧美99综合网,国产一级二级三级视频
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