地面巨型望远镜助力地外生命搜寻

荷兰莱顿大学的 Ignas Snellen 教授为博客 Centauri Dreams 撰文详细阐述了地面高分辨光谱和高对比度成像技术在未来的光明前景。他所带领的团队测定了系外行星 beta Pic b 的 8 小时自转周期而闻名。现简要摘编如下。

上个世纪 90 年代系外行星的发现开启了一个热门的领域，很多天文学家从那次浪潮中转而将研究方向投入系外行星，Snellen 教授就是其中的一员。一些天文学家提出了专门用于搜寻类地行星和大气生命信号的空间设备，欧洲提出了 DARWIN 计划，用 4 到 5 个小卫星组成干涉仪对系外行星进行丞相，但是后来因为难度太大而被取消了。美国的类地行星搜寻者（TPF）计划用空间干涉仪和星冕仪进行成像，而空间干涉任务（SIM）目标是用高精度的天体测量方法寻找可居住带中的类地行星，但是它们同样未能逃脱被取消的厄运。在诸多空间任务中，只有开普勒望远镜取得了极大成功，这得益于先期在地面开展的一系列实验证明了它具有可行性，因为 NASA 更加偏向于在空间应用已经成熟的技术。

寻找系外行星中具有生命特征的信号，主要是氧气和臭氧两种分子。Snellen 教授指出，地面望远镜的两种技术：高分辨光谱（HDS）和高对比度成像（HCI）与空间望远镜一样可以发挥重要的作用。在高分辨光谱方面，哈勃空间望远镜（HST）和詹姆斯-韦伯空间望远镜（JWST）携带的光谱仪分辨本领只有数百到数千，而地面8-10米级望远镜附属的光谱仪分辨本领可以达到上万。这样的光谱仪是无法安装在空间望远镜上的，原因是一方面由于体积过于巨大，另一方面依赖于比较大的口径。例如用 VLT 观测热木星 tau Boo b 光谱中的一氧化碳分子需要 3 个晚上的曝光时间，如果在哈勃望远镜上观测就需要消耗 200 个小时，甚至超过了哈勃深场（HDF）所需的时间。

地面观测的一大困难就是地球大气对光谱信号的吸收。地球大气中的氧分子吸收的波长与系外行星大气中的氧分子相同，增加了探测难度。但是高分辨光谱仪可以区分出系外行星光谱的多普勒位移。地球公转的运动速度只有 30 km/s，而热木星的轨道速度可以达到 150 km/s，因此系外行星大气中的氧分子吸收线具有更大的位移幅度，这种位移可以通过光谱的交叉相关方法提取出来。


上图：黑色是地球大气的吸收光谱，紫色是系外行星的光谱。可以看到行星的光谱位移远远大于地球大气的光谱。

高对比度成像（HCI）能够改正光线在穿过地球大气时造成的抖动，并且抑制主星的光，使得周围比较暗淡的行星显露出来。双子行星成像仪（GPI）和 VLT 上的 SPHERE 是新一代高对比度成像仪的代表。如果将高分辨光谱与高对比度成像结合起来可以获得更加优秀的结果，例如测量行星的自转周期


上图：高对比度成像和高分辨光谱对系外行星 beta Pic b 的观测。

幸运的是，下一代地面巨型望远镜的时代就要来临了。例如巨型麦哲伦望远镜（GMT）由 7 块 8.4 米镜面组成一个等效口径为 24.5 米的望远镜。欧洲极大望远镜（E-ELT）的有效口径达到了 39 米。考虑到其他方面所作的一些优化，它在探测系外行星方面的能力比现有的 VLT 要强 100 倍，使得天文学家距离探测红矮星周围的“超级地球”大气中的氧分子已经十分接近了。这些大望远镜不仅可以提供更大的集光面积，还可以让图像更加清晰锐利。未来在系外行星的大气中寻找生命有关的信号不仅仅是像 JWST 这样的空间望远镜的任务，地面巨型望远镜也可以发挥重要的作用。


上图：欧洲极大望远镜（E-ELT）效果图