在智利阿塔卡馬沙漠的高山上，天文學(xué)家可以觀看到世界上最清晰的宇宙景觀。一些天文學(xué)家正在修建史上最大的望遠(yuǎn)鏡，放大數(shù)千個(gè)未知的行星。
幾年后，新的極大望遠(yuǎn)鏡（ELT）將會(huì)加入尋找系外行星的隊(duì)伍，它的分辨率是哈勃望遠(yuǎn)鏡的16倍以上。
在廣闊無(wú)垠的宇宙中，除了地球所在的太陽(yáng)系以外，還有許許多多的恒星、行星、星系，以及黑洞等。如果天文學(xué)家想要解開更多的宇宙謎題，就需要在宇宙中看得更遠(yuǎn)更清楚，為此，天文學(xué)家需要建造更大、精度更高的望遠(yuǎn)鏡。目前，眾多大型望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在計(jì)劃和建造之中了，其中就包括極大望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱ELT）。ELT由歐洲南方天文臺(tái)的十六個(gè)成員國(guó)共同承建，并選址于南半球的智利，這里是眾多先進(jìn)天文儀器的大本營(yíng)。如果ELT建成，天文學(xué)家不僅能夠找到上述問(wèn)題的答案，而且還能直接觀測(cè)外星天體。
奔赴南美洲的歐洲天文學(xué)家們
在智利拉西拉天文臺(tái)的控制室中，來(lái)自意大利的研究員西蒙娜·奇切里正緊盯著一排監(jiān)視器，她的手里拿著一張紙，上面潦草地寫著幾個(gè)坐標(biāo)。接下來(lái)的一整晚，操作員會(huì)將望遠(yuǎn)鏡鎖定在這幾個(gè)位置，奇切里需要一直守在這里，尋找太陽(yáng)系外的行星。奇切里是每年前往智利的數(shù)百名國(guó)際天文學(xué)家之一，為了找到和確認(rèn)新的行星，她可能需要在智利呆上幾個(gè)月。
智利在天文學(xué)家心中的明星地位始于拉西拉天文臺(tái)的建設(shè)。20世紀(jì)60年代初，世界上所有的大型望遠(yuǎn)鏡都安裝在北半球，天文學(xué)家只能看到半邊的天空。然而為了研究銀河系和麥哲倫星云的中心，歐洲的天文學(xué)家們不得不去南半球。
1962年10月5日，德國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)、荷蘭、瑞典五國(guó)在法國(guó)巴黎簽署了一份協(xié)議，決定共同在南半球建立天文臺(tái)，并命名為歐洲南方天文臺(tái)（ESO），后來(lái)丹麥、芬蘭、意大利等國(guó)家也陸續(xù)加入ESO。因?yàn)橹抢⑺R沙漠氣候極度干燥，平均每年只下6天的雨，而且空氣十分干凈，非常適合觀測(cè)天空，所以當(dāng)時(shí)的幾個(gè)歐洲國(guó)家最終選定智利阿塔卡馬沙漠為ESO的臺(tái)址，并且聯(lián)合在海拔2400米的地方建造了第一座南半球大型天文臺(tái)——拉西拉天文臺(tái)。（現(xiàn)在歐洲南方天文臺(tái)在智利主要有三個(gè)觀測(cè)地：拉西拉天文臺(tái)、帕瑞納天文臺(tái)和拉諾德查南天文臺(tái)。）
神秘天體充滿宇宙
當(dāng)拉西拉天文臺(tái)于1969年3月落成時(shí)，天文學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)一顆系外行星。直到1995年，人們才第一次確切地觀測(cè)到一顆距地球40光年的氣體行星，它的運(yùn)行軌道非常靠近恒星，每4個(gè)地球日就完成一次恒星環(huán)繞。從那以后，天文學(xué)家觀測(cè)到的系外行星數(shù)量一直在不斷增長(zhǎng)，截至2019年2月10日，已確認(rèn)的系外行星數(shù)量是3912顆。
這些新發(fā)現(xiàn)的行星有著各種各樣的特點(diǎn)，有些甚至顛覆了我們?cè)緦?duì)行星的認(rèn)知。例如，距地球420光年以外，有一顆和土星十分相似的系外行星J1407b，它竟然擁有37個(gè)行星環(huán)，直徑是土星的200倍，達(dá)9000萬(wàn)千米，因此它也被稱為“超級(jí)土星”。另外還有一顆名為開普勒-16b的行星，它會(huì)圍繞著兩顆恒星運(yùn)行，也就說(shuō)在它的天空里會(huì)有兩顆太陽(yáng)。
在已經(jīng)確認(rèn)的全部系外行星中，70%的發(fā)現(xiàn)要?dú)w功于開普勒太空望遠(yuǎn)鏡。2009年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）將開普勒太空望遠(yuǎn)鏡派往太空?qǐng)?zhí)行一項(xiàng)十分無(wú)聊的任務(wù)：連續(xù)4年來(lái)回掃描太空的同一小塊區(qū)域。在掃描的過(guò)程中，開普勒會(huì)收集該區(qū)域約15萬(wàn)顆恒星發(fā)出的光，用一種間接的觀測(cè)方法——凌日法尋找系外行星。由于行星相對(duì)于恒星來(lái)說(shuō)非常小，比如:太陽(yáng)包含了太陽(yáng)系中99%的物質(zhì)，可以容納130萬(wàn)個(gè)地球，望遠(yuǎn)鏡在非常遠(yuǎn)的位置將無(wú)法直接看到小小的行星。不過(guò)，如果太空望遠(yuǎn)鏡位于太陽(yáng)和地球的正前方，每當(dāng)?shù)厍蚪?jīng)過(guò)太陽(yáng)和望遠(yuǎn)鏡之間，它就會(huì)擋住一些陽(yáng)光。對(duì)于系外行星來(lái)說(shuō)也一樣，如果望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到一顆恒星發(fā)出的光以固定的時(shí)間間隔減少，這意味著一顆或者多顆行星圍繞著恒星旋轉(zhuǎn)。2018年，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡由于燃料耗盡正式退役，不過(guò)它的成果十分豐碩，截至2019年2月10日，開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了已確認(rèn)的2696顆系外行星，還有2896顆已發(fā)現(xiàn)但未經(jīng)確認(rèn)的行星。
尋找“跳舞”的恒星
天文學(xué)家們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完成對(duì)開普勒提供的大量數(shù)據(jù)的研究，奇切里的任務(wù)就是精確地調(diào)查一些候選的系外行星，以便正式確認(rèn)它們的身份，她所使用的方法是尋找“跳舞”的恒星。
準(zhǔn)確地說(shuō)，這種方法叫做徑向速度法，也叫多普勒光譜法，它來(lái)源于多普勒效應(yīng)。那么什么是多普勒效應(yīng)呢？
你一定有過(guò)這樣的經(jīng)歷，當(dāng)一輛救護(hù)車在你眼前呼嘯而過(guò)的時(shí)候，隨著救護(hù)車離我們的距離由遠(yuǎn)變近、再變遠(yuǎn)，警報(bào)聲的音調(diào)也先是變得尖利，然后恢復(fù)平緩。因?yàn)楫?dāng)光波或聲波的波源與觀察者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，即當(dāng)波源（救護(hù)車）接近觀察者時(shí)，觀察者接收到的波的頻率會(huì)變高（你聽到的聲音的頻率會(huì)變高），當(dāng)波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，觀察者接收到的波的頻率會(huì)變低。
恒星就是光源，正朝我們（地球）移動(dòng)的恒星所發(fā)出的光頻率更高，以可見光光譜——紅橙黃綠青藍(lán)紫為例，光的顏色會(huì)更藍(lán)，被稱為藍(lán)移，而遠(yuǎn)離我們的恒星會(huì)看起來(lái)更紅，被稱為紅移。當(dāng)然，恒星發(fā)出的光并不一定在可見光范圍內(nèi)，紅移和藍(lán)移只是代表恒星所發(fā)出的光波頻率在光譜上的移動(dòng)。
行星的引力會(huì)使恒星輕微地?fù)u晃，在我們的眼中，恒星就像是在跳舞一樣。如果奇切里通過(guò)紅移和藍(lán)移發(fā)現(xiàn)了一顆正在跳舞的恒星，那么很大程度上行星正在拉著恒星。
徑向速度法是天文學(xué)家尋找系外行星強(qiáng)有力的工具之一，而拉西拉天文臺(tái)的高精度徑向速度行星探測(cè)器（HARPS）是同類儀器中最杰出的。迄今為止，它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多的類地行星。2016年，天文學(xué)家使用HARPS發(fā)現(xiàn)了一顆類地行星，它圍繞著距太陽(yáng)最近的恒星——半人馬座比鄰星運(yùn)轉(zhuǎn)，它與其恒星距離為700萬(wàn)千米，質(zhì)量至少為地球的1.3倍。2017年，一個(gè)比利時(shí)研究小組公布了一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)：七顆行星圍繞著一顆矮星運(yùn)行，形成了一個(gè)類似太陽(yáng)系的星系，該發(fā)現(xiàn)也受益于HARPS。為了紀(jì)念自己家鄉(xiāng)的啤酒，這些天文學(xué)家將該系統(tǒng)命名為TRAPPIST-1，在該系統(tǒng)中，多達(dá)3顆行星與地球相似，并提供了可能容納生命的條件。
拍攝行星的照片
當(dāng)我們?cè)谝归g凝視美麗的星空時(shí)，我們的瞳孔會(huì)擴(kuò)張以便收集更多的光線，從而可以看見那些更昏暗的星光。但是人眼收集光線的區(qū)域很小，因此，天文學(xué)家使用大鏡面的望遠(yuǎn)鏡，來(lái)看向更深更遠(yuǎn)的星空。自從反射式望遠(yuǎn)鏡（使用曲面和平面的鏡面組合來(lái)收集和反射光線，并形成影像的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡）發(fā)明以來(lái)，鏡面變得越來(lái)越大。
在ELT建成以前，甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）無(wú)疑仍是歐洲南方天文臺(tái)的主角。它由四個(gè)筒倉(cāng)組成，每個(gè)筒倉(cāng)都有一個(gè)主鏡望遠(yuǎn)鏡，每個(gè)主鏡（用于接收光線）直徑8.2米。這四臺(tái)望遠(yuǎn)鏡既可以單獨(dú)使用，也可以組成光學(xué)干涉儀，每個(gè)望遠(yuǎn)鏡所收集到的光通過(guò)復(fù)雜的地下通道系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，天文學(xué)家可以看到遙遠(yuǎn)行星更細(xì)微的細(xì)節(jié)。例如，我們可以在地球上看到國(guó)際空間站里一顆螺絲釘上的螺紋（國(guó)際空間的運(yùn)行軌道位于地表上空400千米）。同時(shí)，每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都配有先進(jìn)的儀器，比如ESPRESSO和SPHERE，解釋它們的名字并沒多大意義，我們?cè)诖耸÷浴?/p>
ESPRESSO是最新一代光譜分析儀器，它是HARPS的后繼者。HARPS可以探測(cè)到速度為3.5千米/小時(shí)的恒星運(yùn)動(dòng)，而ESPRESSO和4個(gè)VLT望遠(yuǎn)鏡一起工作，可以捕捉到速度為0.35千米/小時(shí)的恒星運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樾⌒行菍?duì)其恒星的作用力要小于大行星，因此靈敏的ESPRESSO可以發(fā)現(xiàn)更多更小的類地行星。
SPHERE解決了星光閃爍的問(wèn)題，雖然我們看到“一閃一閃”的小星星時(shí)會(huì)感到非常好玩，但是對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一件煩人的事。星光閃爍是因?yàn)榈厍虼髿鈱又械膲m埃顆粒扭曲了光線。SPHERE包括自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，可以調(diào)整某一小部分鏡面的形狀，每秒可以變動(dòng)1200次，來(lái)矯正光線。2016年，天文學(xué)家第一次利用SPHERE拍攝到了一張行星照片，這是一顆類似木星的行星，圍繞一顆365光年外的恒星運(yùn)行。
打破記錄的望遠(yuǎn)鏡
在不久的將來(lái)，一個(gè)主鏡直徑為39米的“巨型天眼”ELT將會(huì)坐落在智利阿馬索內(nèi)斯山頂，并將天文觀測(cè)提升到新的高度。ELT將比世界上現(xiàn)存的所有反射望遠(yuǎn)鏡加起來(lái)還要大，能夠收集的光量將是目前最大光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的15倍。
主鏡、二級(jí)鏡、三級(jí)鏡和自適應(yīng)鏡面是ELT的精髓，它們的功能和精度都將打破記錄。由于VLT所使用的8米左右的鏡面已經(jīng)達(dá)到了制造、運(yùn)輸和維護(hù)的極限，為了制造更大面積的鏡面，主鏡將被分解成798個(gè)小的六邊形鏡面，每個(gè)小鏡面為1.4米寬。另外，綽號(hào)為“橡膠鏡子”的鏡面負(fù)責(zé)自適應(yīng)光學(xué)。它的直徑為2.6米，只有2毫米厚。該鏡面有8000個(gè)控制單元，這些控制單元將根據(jù)大氣或風(fēng)力進(jìn)行每秒數(shù)千次的調(diào)整。二級(jí)鏡和三級(jí)鏡負(fù)責(zé)收集和聚集光線。二級(jí)鏡直徑為4.2米，重3.5噸，這面鏡子由德國(guó)鑄造，冷卻一年后，法國(guó)的專家們會(huì)打磨鏡面，直到偏差值不超過(guò)15納米。
2024年，當(dāng)ELT指向智利的天空時(shí)，天文學(xué)家將能夠聚焦于以前根本看不清的遙遠(yuǎn)天體，并且在未來(lái)數(shù)十年里，ELT都將是世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。不過(guò)天文學(xué)家們不會(huì)止步不前，未來(lái)的望遠(yuǎn)鏡將會(huì)突破什么樣的極限呢？讓我們拭目以待。
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