星空万象

今年，科幻小说《三体》终于被搬上了荧屏，让三体迷好好过了一把瘾。在《三体》中有这样一个情节：叶文洁利用太阳放大了红岸基地发射的信号，使信号得以被三体人接收。在现实世界中，科学家还没拥有叶文洁的魔法，不能利用太阳向无垠的宇宙全域广播发自地球的信号。

没有办法了吗？有。有一种方法能利用太阳定向地放大我们发送和接收到的信号。这要从一百多年前的一次著名日食观测说起。

一、引力使光线偏折？1919年这次日全食观测证实了！

1916年，爱因斯坦发表了广义相对论，颠覆了牛顿力学对引力的表述，废除了对空间和时间的传统观念，从而搭建了一个物理学的全新框架。

在广义相对论下：引力会造成时空弯曲，因此光线受到引力的影响也会弯曲。

爱因斯坦计算出太阳引力产生的光线偏折仅仅有1.75角秒。

随即，英国天文学家戴森意识到，1919年5月29日的日全食将会提供一次绝佳的机会，测量太阳引力造成的光线偏折，从而检验爱因斯坦的预言。

那次日全食，太阳位于明亮的毕星团（星团就是众多恒星由于引力聚成的一团）前面，在食甚时分（太阳完全被掩盖的时候），在这个星团里，多颗明亮的恒星都能被观测到。这样一来，只要把食甚时的恒星位置和太阳不在这个区域时的位置进行比较，就能知晓光线是否被太阳引力弯曲，也能得出偏折角度是多少。

星团里恒星众多，测量的恒星位置越多，就越能降低误差。随后，他们制定了详细的观测计划：

戴森作为总负责人留守英格兰。

爱丁顿和带领一支队伍去了西非的普林西比。他们这队的运气不太好，遭遇了多云天气，但是还是拍摄了16张底片。

克罗姆林带领另一只队伍去了巴西北部的索布拉尔。当时巴西的天气条件要好一些，但他们的设备出了点儿毛病，拍出来的许多底片不太清楚。幸好他们同时使用一台备用设备进行了观测，最后发现备用设备的观测结果更为关键（图1）。当年11月，在伦敦的皇家学会和皇家天文学会联合召开的特别会议上，他们集体宣布了测量结果，非常接近爱因斯坦的预测，验证了广义相对论，随后成为全球性新闻 （图1）。

图1上：1919年11月22日伦敦新闻画报的关于日全食观测结果的新闻。下：100年后欧洲南方天文台复原的在巴西索布拉尔拍摄的底片，黄色圆圈标记了附近的恒星。（来源：https://cseligman.com/text/sky/eddington.einstein.htm）

二、爱因斯坦环：引力使光线偏折而产生的现象

引力使光线偏折，这类似于在光源前面放置了一个透镜，因此也被成为“引力透镜”效应。

如果一个遥远天体、透镜天体（一个质量很大的天体）和地球恰好在一条直线上，而且三者之间的距离又刚好合适，使得在地球上观测到“折射”光线汇聚在一起，所成的像就是一个环，这就叫“爱因斯坦环”。

在天文观测中我们确实看到了很多爱因斯坦环，如图2，中心黄色明亮的星系就是透镜天体，周围的蓝色环就是被“折射”的更加遥远的星系。透镜天体就如同一个光学透镜一样，放大了遥远天体的亮度和尺度。然而事实上，这只不过是由于引力效应导致光线偏折的现象。

图2哈勃望远镜拍摄到的不同星系的引力透镜效应产生的爱因斯坦环。（图片来自 NASA/ESA/A. Bolton/SLACS Team）

三、放大信号？要在距离太阳550个天文单位以外放望远镜→

太阳是距离我们最近的大质量天体，占据了太阳系中超过99.8%的质量。100多年前的观测已经证实：太阳可以使光线偏折，偏折的光线再汇聚一点，这点接收到的光线要比原来多的多。

因此，我们可以将太阳作为一个透镜天体，放大太阳背后来自遥远天体的信号。

太阳引力也可以产生爱因斯坦环，我们如何才能观测到呢？（回顾一下前文所述的观测到爱因斯坦环的条件）

1、太阳背后的遥远天体、太阳（透镜天体）、望远镜三者要连成一线；

2、望远镜距离太阳越远，观测到的爱因斯坦环的直径越大，而当爱因斯坦环大于太阳直径，它才能被我们观测到。

那么，如何使爱因斯坦环大于太阳的直径呢？这里有一个关键的参数——望远镜和太阳的最小距离。在遥远天体、太阳、望远镜三者的连线上，比这个最小距离更远的位置，都能观测到爱因斯坦环（见图3）。

根据计算，望远镜距离太阳的最小距离大约是550天文单位（一天文单位是地球到太阳的距离），这相当于冥王星到太阳距离的14倍。而人类现有飞行最远的探测器是旅行者1号和2号，它们已经飞行了40多年，才飞行了大约150天文单位。

图3 太阳引力透镜效应造成爱因斯坦环的示意图。橙色方块是能看到爱因斯坦环的最小距离，距离太阳大约550天文单位。橙色点线代表引力透镜的聚焦线，在这条线上都可以看到爱因斯坦环（来源：作者制作）

这里观测到的爱因斯坦环的面积和信号的波长决定了信号能够被放大的倍数。其中爱因斯坦环的面积取决于其直径和宽度，而它的宽度就是望远镜的口径。

因此，放置的望远镜口径越大、位置越远，信号被放大的倍数就越高。比如，在600天文单位的距离放置一个1米口径的望远镜，观测到的爱因斯坦环可以把红外波段的信号放大几十亿倍！

如果我们把这个望远镜替换成一个信号发射器，朝向太阳发射信号，那么在相反方向的直线上，超过550天文单位的地方也可以观测到由太阳引力产生的爱因斯坦环，可以相应地把信号放大几十亿倍。但是，放大信号的覆盖范围就很小很小了——小于一平方角秒，就像一束极窄的光束，只有在这个光束内的望远镜，才能探测到这个放大的信号。

因此，如果我们想利用太阳放大向“三体人”发送的信号，或者监听“三体人”的信号，需要在半人马座α星（三体人母星的原型）和太阳的连线上、距离太阳550个天文单位以外放置一个发射器或者望远镜，这就可以大大节省发射信号所需要的功率，或者监听到更微弱的信号。

当然，我们现在还没有在半人马座α星的行星中发现任何生命存在的迹象，更没有发现外星文明。

四、朝着星际互联网之梦，不断前行！

在这么遥远的距离上放置一个发射器或者望远镜，对于现在的航天技术来说确实是一件很有挑战的事情。但是并不妨碍科学家们进行概念性研究。

早在1979年，天文学家Eshleman就提出了可以利用太阳引力透镜效应进行星际通信。

1993年，意大利天文学家Maccone向欧洲空间局提出了一个名为“FOCAL”的概念项目，发射一个飞船到550天文单位以外，利用太阳引力透镜效应监听外星文明的通信，后续还写了很多篇论文和一本专著来论述和完善这个项目。

1999年，喷气推进实验室的West在一篇论文中详细介绍了NASA资助的一项概念研究，叫做“太阳引力望远镜”，探索利用太阳的引力透镜效应进行天文观测的可行性。

近些年，NASA的创新先进概念研究计划（NASA Innovative Advanced Concepts program，NIAC），连续资助了一个利用太阳引力透镜对系外行星进行成像观测的项目。

我们不止可以利用太阳，也可以把其它恒星作为引力透镜来放大信号。

未来，我们人类派出探测器访问半人马座α星的行星，探测器的数据可以被它们的恒星放大后传回太阳系，再利用太阳放大之后接收。

在更遥远的未来，当我们实现星际航行，探索广袤的宇宙时，可以在恒星的引力透镜的聚焦线上建立信息传输的节点，利用一颗颗恒星建立跨越星系的通信网络，就像星际间的互联网！

参考资料：

1. https://arxiv.org/pdf/1912.05587.pdf

2. https://arxiv.org/pdf/1706.05570.pdf

3. https://arxiv.org/pdf/2009.01866.pdf

作者：闫震 中国科学院上海天文台 研究员

出品：科普中国

监制：中国科学技术出版社有限公司、中科数创（北京）数字传媒有限公司

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