探寻地外行星的“黑科技”——“遮星板”技术小叙
近两年地外行星或类地行星探索屡有斩获，仿佛“外星家园”已经唾手可得。但事实上我们在这个领域的探索手段仍然有限，大家是否想过：在不可能到达地外行星的前提下，我们能通过什么样的“黑科技”来更好的探测行星的大气成分和状态，并且判断其是否有生命存在呢？今天给大家带来一个新的技术介绍，正好承接我们之前的外星人，你是住这儿嘛？论发现宜居行星TRAPPIST-1的“眼睛”。本文作者“土豆泥”，转载已获授权。
PS：挖的坑都会填上的，然后复用火箭的首次发射我们照例紧密跟踪，一有消息就会和大家分享的。
“遮星板”提供的黑暗反倒让我们能够更好的发现地外行星的“光明”
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我先把今天的主角请上来
可能很多朋友会对这个奇怪的发明嗤之以鼻，觉得并不会对人类产生“现象级”的改变，但是它的意义是深远的，大家摆好果盘听我从头开始慢慢跟你们唠（不想看背景介绍的直接跳到分割线后，找绿色的“但是”二字）：2016年5月10号，NASA宣布Kepler Mission（开普勒太空望远镜）一下就发现1284颗地外行星，人家不是随便看看或者记一下数的，而是经过严格认证的数据。
这在地外行星发现史上确实是开创性的工作，与之相比，在地球“大表哥”——Kepler-452b被发现的2015年（Kepler-452b就是15年NASA的“大发现”，是一颗标准的“类地行星”，而非地外行星），发现的总数有些相形见绌。而在这1284颗地外行星之中，550颗很有可能是小型的岩质行星，9颗则坐落于其恒星系的宜居带中。自09年处女作以来，“Kepler”对着同一天区疯狂“抓拍”，观测15万颗恒星及其亮度变化，预测和确定可能与其相伴的行星数量与状态：
哇哦，眼晕不？
截止到2016年5月10日，统计数据表明，地外行星的尺寸较多分布在1.9~3.1R（R是地球半径）的区间之内，也就是说，大部分的行星趋向于海王星的尺寸，与大家认知有点不一样的是，过去认为经常存在的木星型气态巨星在此次发现中数量甚少：
对不起，又扯远了。但是大家有没有想过一个问题，在不可能到达地外行星的前提下，我们是如何知道这些行星的大气成分和状态的呢？比如HD 209458 b这颗气态行星，我们知道它的大气成分分别是：H、C、CO2、CH4、O2、Na还有痕量的H2O。
聪明的你早就猜到了，是通过气体分子的吸收或者发射谱线。原理是，当你把一束光照射到气体时，分子在吸收和散射不同频率的光上会产生差异，这时候用简单的棱镜或者衍射光栅对透射或者衍射的光进行分光处理，就能看出某个气体分子的光吸收或者发射谱图，就像这样：
举几个比较明显的例子：
也就是说，利用宿主恒星的光反射在该行星大气后所产生的的特定“光谱指纹”，跟数据库里的标准卡片对比，你不仅可以知道该大气层中含有的气体成分，也可以知道其相对含量：
而另一种方案是根据掩食或者凌日现象来进行观测（这种方法在Saturn V的文章中也有提及外星人，你是住这儿嘛？论发现宜居行星TRAPPIST-1的“眼睛”），许多的系外行星就是通过这个方法被发现的。当发生掩食现象，科学家会记录宿主恒星光强度的规律性变化，并且如果这颗行星有大气的话，其大气分子就会根据它们自己的分子光谱对某些频率段进行而外的“拦截”，然后根据之前方法进行气体的匹配和拟合过程，而这也是前面说到的HD 209458 b大气成分被发现的方法：
NASA有两篇文章关于大气滤镜（atmospheric filter）但是实在太长了，有兴趣的可以点击查看原文来索取链接，但简短来讲就是前面说了行星从母星周边经过时，会遮挡母星的光，特别是当它从背后经过时，观测的系统总亮度会相应地减弱，这称为次级掩食现象，科学家可以根据这个数据推测母星的亮度和行星反射光的分量，因为某些颜色与气体存在映射，利用被大气滤掉（被气体分子吸收的辐射波段）的光谱可以去分析大气化学组成。
这种方法也有很好的例子，火星的全球探勘者号探测器（Mars Global Surveyor）利用自己的光谱仪采集到了地球吸收太阳的辐射波段，把金星和火星的光谱段对比一下：
你能看出其中的区别么？
但是，这里要说的是，无论哪种方法，都是通过分子图谱的方式来推测系外行星的大气组成，而这个方法的操作过程却是非常棘手的挑战：
有些行星的大气比较稀薄，因此分子光谱非常微弱，于是我们需要超级灵敏的望远镜和光谱分析仪，比如James Webb空间望远镜（詹姆斯·韦伯，6.5米口径的镜面，具备红外波段的检测功能，韦伯几乎成为了地外行星科研人员梦寐以求的神器，然而这飙升的经费和高度复杂和极富风险的设计方案实在让人揪心）；
有些大气成分比较复杂，所以光谱可能会比较模糊或者难以匹配；
掩食信号的时长一般波动在几个小时，采集信号就需要多次重复的观测，因此要接受更多次的掩食信号，相应地拍摄时长会增加很多；
恒星本身不同位置发射各色光的数量不太一样，因此行星所拦截的特征谱线跟掠过母星的位置有很多大的关系，这就增加了不少难题：
各种并不那么理想的情况
另外，科学家也时不时地会通过另外的方式来探测系外行星，这种方式叫做微引力透镜（），又叫做引力窍门（gravitational trick），这是一个非常有意思的现象，我组合了一张图，应该非常清楚地解释清楚：
这幅图应该可以很清楚的展示其原理：在A点时，前置恒星正好移动至背景恒星的前方，导致背景光的亮度被加强。同时，任何质量不为零的物质都能使时空弯曲，背景恒星的光前行并绕开因前置恒星引力场扭曲的空间，然后聚焦，所以看上去像光被放大的效果一样，在光曲线上位一峰值。
当然，假如前置恒星具有绕其公转的行星，并且在行至B点时正好掠过背景恒星发射光线，则也会产生类似的放大作用，只不过效果比较微弱，所以叫做微引力透镜。但是，即便是小行星，如上图所示，其产生的信号强度也不小，可以很容易的检测到。科学家利用这种“戏法”也发现了不少地外行星。
但是，之前的方法全部都是间接观测或者发现系外行星，而对于发现并检测其大气成分乃至探明生命迹象的帮助有限，因为天文学家还需要直接的二位光谱图，像下图这样：
这个是有名的Gliese 504b（右上角），之所以能在这张照片中的发现右上角那一亮点，因为它是一颗年轻的行星。由于热度没有耗散干净，其亮度得以维持部分。而像类似这种年轻而又距离恒星较远（太阳到海王星的距离）且不会被星光遮挡的系外行星能有几颗？岩质行星只能反射光，亮度就不用说了。就算是气态巨星，大多数的亮度都不及其母星的千万分之一，更别提这些个哥们距离太阳系太遥远了（最近的恒星也在4.2光年之外）。
这也是一直困扰天文学家的难题之一，如果解决不好这个问题（行星被恒星光辉彻底掩盖的问题），何谈地外生命的探索工作。应对这种星光挑战，科学家提出了一种可以在百年间成型的设想（发明）——Starshade（遮星板）技术。讲到这，我们正式开始阐述这个有潜力的发明，看下图：
在NASA的官网上有动画版的视频，一目了然。我这里只做简要说明。首先，花样遮星板的直径大约在40m左右，也就半个足球场的宽度。然后它至少要飞离空间望远镜50000公里远（图中有错，但是可以塞上4个地球），这样才能使望远镜在影子里占据绝佳的位置。而这其中最为困难的步骤就是，直径不到40米的遮星板如何能一直维持为空间望远镜50000公里的距离不变？并且二者的姿态在空中的控制也是一大难题：
但是这难不倒天才的攻城狮，喷气推进实验室（JPL）的小伙伴们是这样设计的：它显示包裹着中心轴。然后和空间望远镜分离：
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再来一次
然后花瓣张开，展开：
接着，空间望远镜转身，花型板翻转飞离。并离开望远镜50000公里左右：
然后它会停在恒星光面前，制造一个完美的影子，而设计恰到好处的边缘可以控制衍射光，从而让恒星的光亮度比被遮挡前低上100亿倍，这样就可以直接看到公转的系外行星：
大家看到这幅图有没有想起什么，泊松亮斑！之所以不用圆盘而要有花瓣形边缘就是因为泊松亮斑
如果使用圆盘，光波会在边缘形成衍射，在阴影中心叠加产生明显的亮斑——泊松亮斑，同时在光斑的临近区域也会形成一圈一圈的波纹：
这样的结果就是遮光盘的投影区并不是漆黑一片，对光源（恒星）的亮度抑制程度无法达到10^(-4)以下。而花型遮星板的制作就是要抑制光波绕射这种现象，利用光的波动性原理，设计精密的边缘尺寸，让绕射后的光波正好在空间望远镜的平面上尽可能地相互抵消，这种特殊形状的模拟数值告诉我们，光源的亮度可以被抵消至10^(-10)。而这种技术的原创性设想来源于折纸，根据JPL的视频，他们早已开始了小样测试（2米）：
然后是5米：
然后是真实尺寸的一半，但是只有四个花瓣，但是16次测试展开的位置误差都在0.1毫米以内：
在crazy engineering频道的视频中他们还就日冕仪技术（coronagraph）做了介绍，这是一种跟遮星板一样的同属于星光抑制技术的手足，只不过成名更早，不做过多论述。
遮星实物小样在亚利桑那的天文台经受测试
在TED的演讲中，Jeremy Kasdin是这么说的：希望能把这种最酷的“技术发明”用在这样的恒星系中，我们期望能看到这样的场景：
这张其实是我们太阳系的小全家福，而我们希望的是以后也能看到这样的地外恒星系，通过花型遮星板技术，可以看见气态巨星、远轨行星以及靠着中间余光的蓝色小点——类地行星，看那里是否有水，有氧气，臭氧，二氧化碳等等，看看那里是否有生命的种子。
附注：
简单列一下近几年NASA要发射的空间望远镜计划，以下文字糅杂了两篇文章和：
1.“探险家”TESS（——凌星外星行星巡天卫星），预计于2017年发射。它将沿着一条从未有航天器采用过的特殊轨道飞行，以便获得没有死角的视野，能够扫描整个天空，在邻近的明亮恒星周围寻找行星。凌星外星行星巡天卫星（左图），将巡视几乎全部的天空（右图），寻找外星行星（中图）。
2.与TESS同一时期将要发射升空的，还有哈勃空间望远镜的超大尺寸继任者——w韦伯空间望远镜（）。韦伯望远镜具有开展红外波段的观测的能力，可以测量TESS发现的许多行星的温度和化学构成——甚至监测那里的天气变化。神一样的韦伯，神一样的经费，这是最新图片，鬼知道升空前还会出什么幺蛾子
3.与此同时，地面上的巨型望远镜，比如位于智利的巨型麦哲伦望远镜（Giant Magellan Telescope）和位于夏威夷的三十米望远镜（Thirty Meter Telescope），都计划在2020年前后投入使用。它们将执行更耗费时间的工作，测量TESS发现的那些行星的质量和密度，以确定它们到底是岩石星球，还是气体星球，抑或是完全不同类型的其他星球。4.宽视场红外望远镜（——WFIRST）：
天文学家们希望通过巡天观测来监测更大的天区，WFIRST就是带着这样的目标，它在一年内将用170天左右去监测几亿颗恒星。天文学家将用这批数据寻找系外行星、研究银河系结构的演化、寻找明亮的恒星爆发，甚至试着解答有关宇宙演化的重大谜题。（主页菌注，现在这座望远镜的“身世”非常特别，是一个更加引人关注的话题，有知道这望远镜身世之谜的可以留言）
参考资料：
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