正如愛因斯坦最初用他的廣義相對論預言的那樣，引力會改變時空曲率。正因如此，光在通過引力場時會發生改變，廣義相對論因此而被證實。幾十年間，天文學家一直在利用它產生的引力透鏡(GL)效應——在這種效應中，遠處的光源被前景的巨大物體所聚焦並放大。
在研究中，兩位理論物理學家聲稱可以用同樣的方式利用太陽來製造太陽引力透鏡（SGL）。他們認為，這個強大的望遠鏡可以提供足夠的光放大，以便對附近的系外行星進行直接成像研究。這可以讓天文學家確認，我們早先派出任務研究的像比鄰星b之類的行星，是否具有成為宜居地的潛力。
這項研究最近出現在了網上，並且考慮將在期刊《物理評論D》上發表，理論物理學家維克托·託斯和美國宇航局噴氣推進實驗室的物理學家斯拉瓦·G·圖裏舍夫負責這項研究，斯拉瓦·G·圖裏舍夫是2020年國家原子能機構第三期研究的主要研究者(PI)。這項研究名為“基於太陽引力透鏡任務的系外行星直接多像素成像和光譜學研究”。
哈勃望遠鏡在其服役期間拍攝到的愛因斯坦環
圖源：NASA/ESA/A.Bolton(CfA)/SLACS Team
除了能夠實現各種深奧的天體物理學研究，通過引力透鏡也拍攝到了迄今為止最為壯觀的宇宙圖片。其中以“愛因斯坦環”最為著稱，它展示了遙遠的光在遇到它和觀測者之間的引力場時會變成什麼樣。
依據觀測者、光源和透鏡的對齊位置不同，光源發出的光可以呈現出弓形、十字形或者其他形狀。雖然任何大質量的天體都可以被用作引力透鏡，但太陽在引力透鏡天文學中具有優勢地位。首先，它是太陽系中質量最大的天體，是最強的可用透鏡。
其次，這個透鏡的焦點區距離太陽550個天文單位，這是未來任務可以實現到達的距離。下一個最大天體（木星）的焦點區距離它超過2400個天文單位。簡而言之，科學家可以製造一個和太陽在一條直線上的太陽引力透鏡，並將它用於天文觀測——比如仔細觀測鄰近的系外行星！
在地外行星特徵研究方面，直接成像是一種特別有前途的研究方法，它能使未來系外行星的研究聚焦於之前從未涉足過的地方（相對於系外行星探測）。通過檢測被行星大氣或表面所直接影響的光，天文學家們可以得到其光譜並通過光譜瞭解這顆行星的大氣構成，甚至能探測其表面植被情況。
太陽引力透鏡成像示意圖。將太陽的引力場作為透鏡，未來的任務可以捕捉到高分辨率的系外行星和其他天體的圖像。圖源：託斯·V·T.& 圖裏舍夫··S·G.
然而，這個方法有點麻煩，因為最近的望遠鏡沒有足夠的分辨率為較小的行星直接成像，這些行星的軌道都更靠近它們的恆星（岩石行星在此發現）。這就是為什麼絕大多數能被直接成像的系外行星都是巨大的氣體行星，它們都具有典型的長公轉週期軌道。正如圖裏舍夫在郵件告訴《今日宇宙》的那樣：
直接觀測和成像系外行星我們需要藉助非常大的望遠鏡。因此，如果我們想要在100光年外的一個像素點內看清我們的地球，我們需要一個口徑達90千米的望遠鏡。
第二大的地面（歐洲特大望遠鏡）和空間（詹姆斯·韋伯望遠鏡）望遠鏡口徑分別是39米和6.5米。被考慮用於取代這些巨型設備的是口徑16米的大型紫外/可見光/紅外探測衞星（LUVIOR)和/或口徑24米的宜居行星影像衞星（HabEx)。
圖裏舍夫認為，基於這種趨勢，沒有人能在有生之年近距離看到外星世界的樣子，即便是他們的孩子和孫子也不行。藉助太陽引力透鏡，可在本世紀中期實現對鄰近系外行星的觀測（如比鄰星b和c或者圍繞TRAPPIST-1的七顆岩石行星）
當通過太陽引力透鏡觀測距半人馬座比鄰星4.24光年的地球時，我們的星球可能長這樣。圖源：託斯·V·T.& 圖裏舍夫··S·G.
為了驗證太陽引力透鏡的可行性，託斯和圖裏舍夫藉助原先的研究，為太陽引力透鏡構建了一個波理論描述。最終，他們證實了這一點，甚至模擬出了經卷積和加入高斯噪音（左）及反捲積（右）後，分辨率為1024*1024像素的地球照片（如上圖所示）。
如果地球和半人馬座比鄰星距離相同（4.24光年），那麼由距離太陽650個天文單位的望遠鏡（即太陽自己的引力透鏡）拍攝的地球照片應該是這個樣子。如果你看得足夠仔細，你甚至可以看到雲層和陸地之間的對比——在這張圖裏，這兒是美國、那兒是下加利福尼亞和墨西哥。託斯和圖裏舍夫估計擁有這種程度的細節需要的總曝光時間大約是一年。
當然，這個團隊也確定了一些最初需要克服的挑戰。焦點區的距離是重中之重，它距離地球約822.8億公里（510億英里）遠。這大約是地球和旅行者一號之間距離的四倍，而旅行者一號保持着迄今為止最遠飛行任務的記錄——截止2020年，它一共飛行了150個天文單位（224.4億公里；139.4億英里）。
其次，他們發現透鏡會受到球面像差和反光的影響，需要糾正。最後，太陽強烈的光芒自然會比任何從遠處物體獲得的光還要亮。
Toth説：“觀測必然需要很長時間（望遠鏡在焦距區域穿過一千米長的平面時看到一個‘像素’，而且對於每個像素來説，必須收集足夠的數據來緩和主要來自日冕的噪音造成的影響。）在此期間，第一，望遠鏡關於圖像的運動痕跡必須被我們精準掌握；第二，瞄準的外行星可能會移動，或在外觀（雲層、植被等）或亮度上有所改變。一些問題可以被視作噪音，一些則可以被智能的圖像重建工作刪除。
藝術家對於這個行星的印象
圍繞離太陽系最近的恆星——比鄰星（一顆紅矮星）運動的比鄰星b。來源：ESO/M.Kornmesser
幸運的是，Toth和Turyshev提出了一些潛在的解決方案。比如他們的概念實驗要求使用主鏡一米長望遠鏡的望遠鏡，2-2.5米長的望遠鏡也可以。他們主張，這件事可以以派出一支可以矯正偏離的成像航天器小隊的方式來實現。
為了處理來自太陽的影響，需要研製一台結構合適的日冕儀。幸運的是，考慮到太陽焦距的長度，託斯和圖裏舍夫估計口徑在一米左右的日冕儀就足夠用了。這很像那種由許多小航天器組合成一架空間望遠鏡似的科技，它也需要等待技術未來的發展。
但其成果，包括潛在可居住行星的解析圖像，將是不可估量的。想象一下給比鄰星b拍照，照片上能看出其陸地的大小和形狀，就如同它一旁浩瀚的海洋一樣（假設它有陸地和海洋）。如果能拍到比鄰星c的照片那該有多酷啊，它被認為是一個有着和土星類似光環系統的氣態巨行星。
有三顆行星在TRAPPIST-1的可居住帶內運行，它們的表面都可能有大面積的海洋。我們還得到了極其有價值的科學數據，包含可能揭示鄰近系外行星大氣中是否存在與我們生活息息相關的化學特徵的光譜（又稱“生物信號”）。
擁有一台專用的太陽引力透鏡望遠鏡，也是下一代望遠鏡的合適補充，它們將在近幾年內投入使用。這些望遠鏡包括詹姆斯·韋伯望遠鏡（JWST）和南希·格蕾絲·羅曼太空望遠鏡（JWST），它們將在哈勃望遠鏡和開普勒望遠鏡的碩果之上，於鄰近星系繼續尋找系外行星。
同樣，帶有光學自適應和日冕儀的地面望遠鏡——像歐南台的超大望遠鏡（ELT）和大麥哲倫望遠鏡（GMT)——將允許對離恆星軌道更近、體量更小的岩石行星進行直接成像研究。特別是在較暗的M型（紅矮星）恆星附近，那裏是最有可能找到潛在的宜居行星的地方。
在最後，我們正在進入一個天文學和天體生物學的新時代，一個比對系外行星的研究還要超前，且聚焦在特性描述與對外星生命的搜索的時代！在這個時候，投資太陽引力透鏡是否值得令人產生疑問。
Turyshev總結道：“在未來的十至十五年內我們會以間接的方式（透射光譜學、徑向速度、天體測量學、微透鏡等）探索上千個太陽系外的星球。一旦我們有了令人激動的一組目標，太陽引力透鏡就會幫助我們進行研究。我們可以發佈一個關於太陽引力透鏡的焦點區域聚集在特定目標上的任務，並研究這個預先選擇的目標或目標系統。
BY：MATTWILLIAMS
FY：Astronomicalvolunteer team
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