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让星际尘埃变成太空望远镜

原创
2020-01-13  大科技杂...

用激光捕捉太空中的尘埃颗粒,让它们按照一定的几何形状排列后,一架不可思议的太空望远镜就制作成功了。它的镜面有一个足球场那么大,重量却仅及一个馒头。

当事情涉及空间望远镜,有一句话总不会错的,那就是“大就是王道”。今天几乎所有的太空望远镜,譬如像著名的哈勃空间望远镜,都是用一个巨大的凹面镜来收集星光的。镜面愈大,能收集到的光线就愈多,图像就越清晰。当需要观测非常遥远的星系时,大尤其是硬道理。但大是有代价的,越大越重的镜面,不论加工还是发射起来,费用都更加高昂。所以科学家们一直在寻找办法,试图既能把镜面做得更大,但又不至于太重。

用激光搭建太空望远镜的设想

1970年,美国贝尔实验室的一位科学家意识到,用激光束能把微小的颗粒物移动或固定到一个位置上。其原理是:一束光被物体反射后,对物体会有一个反向的作用力——当然,这个作用力通常是非常微小的,对于一个宏观的物体,几乎不会产生什么影响。但如果用功率很强的激光照射一个微小的颗粒物,其作用就不可小觑了。这样,用激光就能把颗粒物推到任何一个位置上去。

自那以后,科学家陆续实现了用激光来捕捉和固定原子、分子和其他的一些小颗粒物。例如,今天的生物学家能够用一种所谓的“光镊子”来操纵病毒和细菌。美国华人物理学家朱棣文就因在发展“光镊子”方面的杰出贡献,被授予1997年的诺贝尔奖。

接着,在1979年,一位法国天文学家又提出,激光还可以用来捕捉太空中的尘埃颗粒,让它们按照一定的几何形状排列后,可当作望远镜的反射镜面使。在太空中,因为这些尘埃都处于失重状态,所受的合力基本为零,所以一旦把它们推到某个位置,就基本保持不动。就算有时某些颗粒物偏离了位置,我们也还可以通过定期检查,用激光把它们一个个推回去。

这样制造出来的太空望远镜,镜面面积可以很大,但重量却非常之轻。例如,一个直径35米的反射镜面,质量只有100克,差不多只有一个馒头那么重。你自己不妨比较一下,哈勃望远镜的镜面直径只有2.4米,质量却达828千克;2018年美国宇航局计划发射的韦伯空间望远镜,镜面直径6.5米,质量也有700千克。

此外,这种新型的太空望远镜若不小心被飞来的陨星撞破,只要用激光把被冲散的尘埃摆放回原先的位置即可修复。

松散的“镜面”为何可以反射星光?

你或许要问:这样一个松散的结构怎么可以反射星光呢?对了,需要事先声明的是,天文学上所谓的“星光”,并非一定就是波长只有几百纳米的可见光,也可以是波长在微米量级的红外光,以及毫米波、厘米波,甚至是波长在1米以上的射电波。

我们通常都用一块镀了金属的镜子来反射光线。你要是细究起来,未免会感到奇怪:金属是由原子组成的,而原子又是由原子核和核外电子组成的。而我们知道,原子核只占原子体积的万分之一,电子的体积则更小。换句话说,一个原子里面绝大多数地方是空的。更不用说,原子跟原子之间又有很多空隙。如此一来,一张金属的表面,其实还是虚空的地方占多数,那么请问,光照到金属上,为何不会从这些空的地方透过去,反倒被反射回来?

这其实涉及到光的波粒二象性。量子力学告诉我们,光既是波,又是粒子,即光子。反射发生的条件是:只要组成表面的各个原子之间的距离比入射光的波长短,就能发生反射。要理解这一点,我们不妨把光子想像成一个皮球,波长就是其半径,再把金属表面想像成一张网。那么,道理是显然的:只要网孔的尺寸比皮球小,哪怕这张网上到处是孔,也能把皮球反弹回去。

推而广之,要反射红外光,组成反射面的各个微粒之间的距离,在微米量级即可……要反射射电波,微粒之间的距离甚至可以在1米以上。每个微粒彼此相距1米以上,那当然是够松散的。

这个松散的“镜面”,要是用来反射可见光,当然是无能为力的。但幸好,从遥远星系传来的“星光”,其波长都比较长,大多在红外到射电波段。为什么波长这么长?原因是宇宙在膨胀。这些“星光”当初出发时,本来都是波长很短的可见光,但因为宇宙在膨胀,结果波长都被拉长了。

所以,用这样一个松散的“镜面”,依然可以反射来自遥远星系的“星光”,你该不会再奇怪了吧?

实现梦想从摆弄水中的小球开始

一位瑞士科学家一直在试验如何把这个梦想变为现实。最近,他终于在一项实验中取得了一些进展。

实验是这样:在一个水箱中,投入一些密度与水相当的塑料微小球。小球直径3微米,差不多只有一粒细菌那般大。因为浮力和重力抵消,这些小球悬浮在水里——当然肉眼是不可见的——静止不动。然后,他用一束高功率的激光从水箱底下照射它们。在激光的推动下,大约有150粒小球被推到了水面。它们被推挤到一起,排列成一个平面。为了测试其反射效果,他用一束普通的光照射一把刻有数字“8”的透明尺子。当这束光透过“8”字,经塑料小球组成的平面反射后,他的确看到了“8”字的像——尽管有些模糊,但还是不难辨认。这说明,这个人造的镜面,其反射效果还是可以的。

原则上,这样的望远镜你想镜面多大,就能做得多大,没有任何限制。因为原材料都是现成的,不需要人工发射上去。当然了,这项工作才刚刚起步,前面的困难还有不少。比如,这项工作需要功率很大的激光,目前地球上最大功率的激光都嫌不够。此外,激光持续照射在尘埃颗粒上,总有一部分会被尘埃吸收,在太空中散热又不易,那么热量积累导致尘埃气化了怎么办?这些问题都亟待解决。但要是真有一天能在太空中建起一架拥有巨大反射镜面的望远镜,那将为我们了解宇宙提供多大的便利啊!

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