《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方法,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説起。
日全食觀測證實引力使光線偏折
1916年,愛因斯坦發表了廣義相對論,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産生的光線偏折僅僅有1.75角秒。1919年5月29日的日全食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,太陽位於明亮的畢星團(星團就是眾多恒星由於引力聚成的一團)前面,在食甚時分(太陽完全被掩蓋的時候),在這個星團裏,多顆明亮的恒星都能被觀測到。這樣,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,就能知道光線是否被太陽引力彎曲,也能得出偏折角度是多少。
愛因斯坦環:引力使光線偏折而産生的現象
引力使光線偏折,這類似於在光源前面放置了個透鏡,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”。
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,佔據了太陽系中超過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,放大太陽背後來自遙遠天體的信號。
太陽引力也可以産生愛因斯坦環,需要滿足哪些條件才能被我們觀測到?
1、太陽背後的遙遠天體、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,觀測到的愛因斯坦環的直徑越大,而當愛因斯坦環大於太陽直徑,它才能被我們觀測到。
那麼,如何使愛因斯坦環大於太陽的直徑?這裡有一個關鍵的參數——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根據計算,望遠鏡距離太陽的最小距離大約是550天文單位(1天文單位是地球到太陽的距離),這相當於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。
太陽引力透鏡效應造成愛因斯坦環的示意圖(來源:作者製作)
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。
這裡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於其直徑和寬度,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大。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,朝太陽發射信號,那麼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産生的愛因斯坦環,可以相應地把信號放大幾十億倍。但是,放大信號的覆蓋範圍就會很小——小於一平方角秒,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。
朝着星際互聯網之夢不斷前行
在這麼遙遠的距離上放置一個發射器或者望遠鏡,對於現在的航天技術來説確實是一件很有挑戰的事情。但是並不妨礙科學家們進行概念性研究。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後傳回太陽系,再利用太陽放大之後接收。
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!
作者:閆震 中國科學院上海天文& 研究員