天文|展望天文学的未来：遮伞星，那是你的世界
探寻外星生命 ， 有遮伞星相伴 ， 美好即将发生
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圆盘创造了被隐藏光源的经典环形衍射图案（左） 。 遮伞星形物体使明亮的衍射环消失（右）
图片来源: Northrop Grummon, 2015-6
25年前（本文发表于2016年） ， 如果你问天文学家是否有行星围绕着类日恒星旋转 ， 你得到的答案可能是“有可能 ， ”但是没有实例可以佐证 。 5年前 ， 如果你问天文学家在类日恒星周围是否有类地岩石行星 ， 他们也可能会告诉你：“有可能 ， ”但同样举不出实例 。 然而 ， 如今2016年 ， 我们已经在其他恒星系中发现了超过2000个被证实的行星 ， 包括成百上千个岩石星球 ， 其中大约有8-12个处于适宜的宇宙空间 ， 使其存在液态水并有可能产生生命 。 若没有先进的科技 ， 我们唯一能做的只是推测 。 但是 ， 如果能够捕获并分析来自其他岩石星球的光 ， 我们也许能从中寻找到那些与生命相关的迹象：
液态水、海洋和陆地 ，
富含氧气和其他有益气体的大气层 ，
拥有不同生物标志物的分子 ，
甚至是行星表层生命标志物随季节变化的证据
也许听起来像白日梦 ， 但是随着遮伞星的出现 ， 这类信息的获取将变得易如反掌 。
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画家笔下的行星开普勒62e 。 图片来源: NASA/Ames/JPL-Caltech.
试想一下 ， 我们想要知道的所有信息都包含在几千个光子之中 ， 而这些光子都来自与地球并无太大不同的行星 。 当地球在轨道上运动时 ， 我们可以看见不同比例的海洋和陆地 ， 并以此测算出分别被液体和固体覆盖的面积 。 通过收集从行星大气层反射的光线 ， 我们可以识别光谱吸收的特点和空气中各种成分的比例 ， 比如氮气、氧气、水蒸气和甲烷 ， 并由此判断出该星球是否宜居 。 通过在不同的轨道位置也即在不同的季节观察地球 ， 我们可以发现 ， 大陆块从郁郁葱葱变成灰棕色 ， 又由灰棕色变为被冰雪覆盖 ， 周而复始 。
一切的关键就在于收集来自行星的光 ， 而不能让光被恒星的光芒淹没 。 也许你会认为 ， 仅仅使用日冕仪来屏蔽恒星的光芒 ， 我们就能轻而易举地做到这一点 。 的确 ， 日冕仪在天文学研究中发挥着重要作用 ， 但是像波一样传播的光有一个不幸的特点 ， 它会在遇到物体后发生衍射现象 ， 甚至在遇见日冕仪时也会如此 。 如果行星比其所围绕周转的恒星暗淡几十亿倍 ， 那么经过衍射发生偏折的光将会吞没来自该行星的一切信号 。 然而 ， 我们掌握了一种让人惊艳的手段 ， 它可以帮助我们完全阻挡来自恒星的光芒——在望远镜镜头的远处放置一个大小适当的光学物体 。 换言之 ， 看清暗淡行星的解决办法不依赖于更先进的望远镜 ， 而在于特殊的光线阻挡装置 ， 正如日全食时月亮阻挡太阳光一样 。
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图片来源: Luc Viatour
不过 ， 这种遮伞星不是圆形的 ， 在角度上也不会像月亮那么大 。 我们寻找的是一个偏离其恒星仅36000分之1度的行星 。 这也意味着 ， 我们只需要它占据望远镜所及的一小片区域 。 一个如此这般的“遮伞星”必须具备以下的三个特性：
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1：100大小的遮伞星模型 。 图片来源：Northrop Grummon, 2016
它必须具有特殊的形状 ， 并非圆形 ， 而是一种被称作超高斯面的数学模型 。 这种模型拥有一个特殊的特性 ， 当恒星光线在它的表面边缘发生偏折时 ， 这些光线会缠绕在一起 ， 破坏性地相互干扰 。 其结果就是 ， 恒星光线减弱了1010倍之多 ， 由此行星得以显露出来 。
由于菲涅尔数（Fresnel Number）这种光学性质的存在 ， 遮伞星必须很大且极度遥远 。 一般来说 ， 它需要成一定角度 。 如果它真的距离非常遥远 ， 其菲涅尔数将会更大 。 大的数值将有助于减少逃逸的光线 ， 因此最好的做法是制作一个较大并且极度遥远的遮伞星 ， 以此减少外部恒星光线所带来的干扰 。
最后 ， 它必须与望远镜的视线精准匹配 。 这意味着 ， 它必须拥有自己的推进装置和稳定系统 ， 使其能与相连接的望远镜良好地同步运转 。
对于哈勃级别的望远镜来说 ， 比如美国国家宇航局（NASA）计划中的宽视场红外探测望远镜（WFIRST） ， 它将需要一个包含翼展在内长达35米的遮伞星 。 这颗遮伞星将飞离2.4米宽的望远镜高达4万千米 ， 即大约一个地球周长 。
将遮伞星概念付诸实践将必然带来诸多技术上的挑战：
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