地鏡：全地球望遠鏡，史無前例的巨大望遠鏡

簡介：天文學研究最重要的一個問題就是如何制作更大的望遠鏡，近日一位科學家提出可以使用地球作為巨大的透鏡來制作望遠鏡，更准確的說是通過地球的大氣層來聚集光線。

天文學最大的問題之一是一個再簡單不過的問題：光線不足。我們制造如此大的望遠鏡的原因就是為了收集足夠的光線來觀察微弱的物體。這個比喻就像雨中的水桶：水桶越寬，你收集的雨水越多。光子從天空落下，你的鏡子越大，你收集的光就越多。

制造大望遠鏡很難。支撐一個大於8米的鏡子是很困難的，盡管將它們分段（如詹姆斯· 韋伯太空望遠鏡）會有所幫助。然而，成本是巨大的，要使“範圍”比我們現在擁有的更大，你必須開始考慮數十億美元的預算。

原地踏步的天文學

量子泡沫的例子，在那裏能量以十億萬億分之一厘米的尺度釋放，粒子進出。來源：美國宇航局/CXC/M.韋斯 · 韋伯靈 μ介子強烈暗示了一種奇異的新物理藝術品的存在，這種藝術品描繪了一種“著陸射流”，一種過熱氣體羽流，當一顆小行星在離地球表面很高的地方蒸發，但仍然設法到達地面時產生。這不會留下任何隕石坑，但仍會摧毀它下面的土地。來源：50萬年前，南極洲被太空噴燈擊中，因此天文學家們在收集光線方面變得很有技術含量。我所知道的最聰明的天文學家之一是大衛·基平。我寫過幾篇關於他的工作的文章，包括關於他對系外行星的搜索。和其他許多人一樣，他是一個光子饑渴的天文學家，他最近發表了一個從宇宙物體收集更多光的驚人概念：地鏡。

之所以命名它是因為它把地球當作一個巨大的透鏡來聚焦光線。

是的，說真的。是全地球望遠鏡。

他制作了一個視頻來解釋：

鏡頭會彎曲光線所經過的路徑（這稱為折射），這樣一個光子就會被引導到鏡頭中，否則它會錯過你的相機。再一次用雨來比喻：一滴落在離你一米遠的地方的雨滴會想念你，但如果你能偏轉（折射！）當水滴還在高處時，它的路徑會朝著你，你會被淋濕。

在地鏡的情況下，鏡頭實際上是地球的大氣層。它彎曲的程度取決於它進入的角度和它通過的物質（我們通常稱之為介質）。這就解釋了太陽（和月亮）在落下時看起來為什麼是扁平的；太陽的頂部通過的空氣比底部通過的少，事實上，來自這些部分的光線被擠壓在一起，使得太陽在垂直方向上看起來更小。

從勺子裏射出的光線透過玻璃放大，湯匙看起來是彎曲的，甚至被切成兩半，因為水在光線通過時會彎曲光線。來源：菲爾·普萊特。

當光從一種介質移動到另一種介質（如空氣到水，或空間到空氣）時，其路徑會稍微彎曲。它彎曲的程度取決於它進入的角度和它通過的介質。這就是為什麼太陽（和月亮）在落下時看起來是扁平的；太陽的頂部通過的空氣比底部通過的少，事實上，來自這些部分的光線被擠壓在一起，使得太陽在垂直方向上看起來更小。

比如，一束來自遙遠恒星的光線穿過地球的上層大氣，其路徑發生最大彎曲度約為1度（約為天空中太陽或月亮彎曲度的兩倍）。現在想象你在太空中漂浮，地球在你和那顆星之間。你看不見星星，因為地球擋住了你的視線路徑。但是，如果你的距離沒問題，地球的空氣將使恒星的光正好對著你。從地球到月球的距離大約是360000公裏。

示意圖顯示了星光如何穿過地球大氣層，聚焦在離地球和月球幾乎一樣遠的點上。圖片來源：大衛·基平

現在想想這個：從那裏，地球看起來像一個圓盤，周圍的空氣是一個薄環。來自該恒星的任何光子在環中的任何一點撞擊地球的空氣都會朝著你彎曲。否則，所有這些光子都會與你的位置產生偏差，但隨著地球空氣的彎曲，你會看到很多光子。鏡頭就是這樣工作的。

我會注意到，他的推特賬戶的頭像是一幅工作情景圖畫。

作為地鏡的一部分，地球大氣層仿佛一件能讓星光聚焦到相機上的奇幻藝術品。圖片來源：詹姆斯·塔特爾·基恩/大衛·基平祖

同樣的效果產生了一種稱為中心閃光的現象，一個環繞大氣的物體直接經過一個較遠的物體的前面，這次日食（實際上，稱為掩星）處於其中點時，你會得到一個突然的亮光。舉例說，海王星的衛星海衛一阻擋了一顆遙遠的恒星，土衛六也在做同樣的事情。

因此，由於額外的光子，微弱的恒星會顯得更加明亮。光可以是放大的：對於一米望遠鏡來說，它達到80000倍！太不可思議了。對於那些了解天文學的人來說，這是10.5級。該望遠鏡與哈勃比較，看物體不僅能更精細，還要更清晰。

事實證明這涉及到很多物理學知識，我已經省略了。例如，地球上方的空氣密度隨著高度的增加而降低（通常更冷），這會影響折射。這也取決於視野範圍內光的波長。此外，在離地球很遠的地方放置一個一米長的望遠鏡還有其他問題。例如，月亮會離你很近，你每個月都要做大量的站位保持工作。地球大氣層中的雲層阻擋了光線，這讓人糾結，它大大減少了你所能看到的光線。

所以，你只能看地球後面的任何東西，所以要麼你只看天空中碰巧存在的東西（這會一直改變，隨著地球繞太陽運行，每年重複一次），要麼你必須把望遠鏡往遠處移動。基平在他的論文中探討了其中的一些問題。

他發現，只要把望遠鏡移遠一點，一切迎刃而解。位置在離地球150萬公裏的地方，經過地球表面14公裏處的光線就會彎曲成焦點。避開了厚雲層，使大多數紅外光都可以在同等高度穿過空氣，地面上可以觀察到光譜的這一部分。

在這個距離上，一米望遠鏡的收集能力相當於150米望遠鏡！太意外了！這麼龐大的光，從中收集的光越多，數據就越充分。這提醒了我：你必須把非常明亮的地球從你的探測器上擋住，這是我們應該做到的（使用日冕儀），只是一個工程而已。

地面望遠鏡真的可能嗎？好吧，甚至基平在他的視頻中也持懷疑態度，我不是說憤世嫉俗，純粹科學上的懷疑，慎重地承認這個概念的優勢與不足。他指出，要解決所有問題還要看以後，但向委員會提出這個想法是很有價值的。如果它真的實現了，將是最酷的望遠鏡。

BY: Phil Plait

FY: JANE

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