研究人员提议建造廉价的2.2公里望远镜用于拍摄系外行星电影

公里级望远镜能否帮助开展更高效的科学研究，特别是光学干涉测量领域?这正是最近发布在预印本服务器arXiv上的一项研究希望解决的问题。

两位研究人员提出了“大边缘望远镜”(BFT)的构想，该望远镜将由16台直径为0.5米的望远镜组成，相当于一台直径为2.2公里的望远镜。BFT的独特之处在于它能够实时制作系外行星“电影”，就像金星凌日的电影一样，而且与目前的地面光学干涉仪相比，其建造成本大大降低。

该提案以过去的光学干涉仪为基础，包括佐治亚州立大学高角分辨率天文学中心(CHARA)阵列，由六台直径1米的望远镜组成，相当于一台直径330米的望远镜，以及欧洲南方天文台的甚大望远镜干涉仪(VTLI)，由四台8.2米望远镜和四台可移动1.8米望远镜组成，相当于一台直径130米的望远镜。

此外，该提案是在ESO目前正在智利阿塔卡马沙漠建造一台直径39.3米(130英尺)的反射望远镜的极大望远镜之际提出的。

在此，UniverseToday与亚利桑那州弗拉格斯塔夫市洛厄尔天文台的天文学家GerardvanBelle博士讨论了这个令人难以置信的提议，涉及提出BFT背后的动机、BFT希望实现的科学案例、BFT研究系外行星的新方法(即实时电影)、BFT如何潜在地有助于寻找地球以外的生命、将BFT变为现实的下一步，以及每个直径为0.5米的望远镜对科学和成本的影响。

那么提出BFT的动机是什么呢?

“动机是，在某个时候，社区最终‘放弃了赚钱的机会’，”范贝尔博士告诉《今日宇宙》。“这里有一个非常令人兴奋的科学案例——对明亮恒星的成像——但它被忽视了。部分原因是，建造这些非常高角度分辨率成像阵列的人(比如我)的集体想象力被‘越来越暗，越来越暗，越来越暗’而不是‘越来越精细，越来越精细’分散了注意力。

“令人惊喜的是，由于我们不会进行超暗观测，组成BFT阵列的望远镜很小，因此BFT的价格出奇地便宜。这里的第三个额外优势是，大部分部件都是最近才投入商用的，这也有助于降低成本。所以，这是一项尚未完成的伟大科学，它成本低廉，而且很及时。”

研究指出，“对明亮的主序星进行常规成像仍然是一个令人惊讶的未开发科学领域。”作为背景，虽然CHARA阵列在2007年获得了第一张单个主序星的图像，但CHARA进行的一些科学研究主要集中在双星、超新星爆炸和围绕恒星运行的尘埃上。

此外，虽然VLTI获得了红超巨星表面和大气的最佳图像，但所进行的一些科学研究还包括对系外行星的直接观测、对位于银河系中心的超大质量黑洞人马座A*的观测，以及对黄道外光的探测。

与CHARA和VLTI一样，BFT除了拍摄明亮的主序恒星外，还将开展广泛的科学研究。其中包括研究系外行星主恒星、太阳类似物、解析双星和解析系外行星凌日。

范·贝尔博士告诉《今日宇宙》：“系外行星宿主才是真正的关键案例：过去三十年来，系外行星的大量发现真正改变了天文学。太阳类似物的研究极其重要。

“到目前为止，我们只有一颗类太阳恒星，我们可以将其分解成多个圆盘，并观察它随时间的变化，也就是我们自己的太阳。但这有点像如果你是一名医生，却要学习解剖学和生理学。因此，能够对类太阳恒星进行解析，对于更好地了解我们自己的太阳，尤其是它对我们地球的影响，真的至关重要。”

范·贝勒博士继续说道：“通过对双星系统的观测，我们可以确定它们的质量，因为它们会绕着彼此旋转，而BFT则通过直接测量这些恒星的半径增加了额外的价值。解析系外行星凌日将是一件非常酷的事情。当另一个世界从其主星前面经过时，我们将能够看到它的解析圆盘。

“这类事情将有助于进一步描述系外行星的特征，以及寻找系外卫星。还有许多其他BFT科学不属于核心大事例——我们将能够拍摄数百种不同类型的恒星，并观察这些照片如何随时间变化。”

目前，直接观测系外行星是通过直接成像法获得的，天文学家使用日冕仪遮挡主恒星的眩光，从而揭示隐藏在下面的系外行星，尽管无法观察到它们的完整形状。此外，凌日法是通过测量系外行星在其前方运行造成的星光下降来进行的，但由于其体积小且主恒星的眩光强烈，因此无法观测。

BFT希望实现的解析系外行星凌日意味着天文学家将能够在行星经过其主星前方时观测到它的完整轮廓，从而将直接成像法与凌日法结合起来。

例如，当金星经过太阳前方时，天文学家可以观察到金星和太阳的整个轮廓，从而拍摄出这一惊人天文事件的实时影片。借助BFT，预计这些实时影片也可用于拍摄系外行星。那么，从这些实时影片中可以得到什么科学成果呢?

“如上所述，我们将能够将这些星球视为可解析的圆盘，”范·贝尔博士告诉《今日宇宙》。“这将让我们更好地确定线性大小，并测量这些星球的密度——例如，岩石星球还是水星球，固体星球还是气体星球?以波长相关的方式进行此类解析可能也会告诉我们大气层的成分——尽管这是一个相当具有挑战性的观察。

“也许更直接的方法就是尝试测量气态行星的扁率——例如，木星的宽度比高度略大，因为它是一团快速旋转的气体。这样的观测将使我们能够测量这些行星的自转速度。”

截至撰写本文时，NASA已确认存在5,743颗系外行星，其大小和成分范围广泛，并且它们位于包含单颗行星或最多七颗行星的太阳系中。

探测系外行星的方法也多种多样，包括凌日法、径向速度法、微透镜法和直接成像法。每种方法都有自己独特的方法，不仅可以识别系外行星，还可以收集有关其表面成分、大气成分和生命潜力的数据。因此，BFT如何有助于寻找地球以外的生命?

范·贝尔博士告诉《今日宇宙》：“BFT将主要跟踪系外行星，而不是寻找它们，但这样做将有助于更好地描述系外行星及其宿主。‘那里是否有生命’的问题不仅取决于系外行星，还取决于宿主赋予该系外行星的条件。了解‘太空天气’环境将从BFT观测中获得更好的信息。”

除了潜在的系外行星电影和明亮恒星科学的进步之外，BFT背后的主要驱动力之一是其成本，因为研究人员估计，整个项目的总成本为28,496,000美元，包括所有16台0.5米望远镜。相比之下，GSUCHARA阵列仅花费6台1米望远镜就花费了1450多万美元，而VLT/VLTI的建设成本估计为数亿美元，包括四台8.2米望远镜和四台可移动的1.8米望远镜。

这项最新研究对BFT的各个方面进行了深入的成本细分，包括光束收集(4,720,000美元)、光束传输(2,744,000美元)、光束组合(4,140,​​000美元)、光束延迟(4,000,000美元)、基础设施(1,943,000美元)和劳动力(5,250,000美元)。但是，鉴于每个BFT望远镜都比GSYCHARA和VLTI上使用的望远镜小，这意味着它们的收集孔径较小，使用0.5米收集孔径有什么意义，BFT瞄准明亮恒星的原因是什么?

“0.5米望远镜对项目的可负担性有很大影响，”范贝尔博士告诉《今日宇宙》。“较小的望远镜更便宜，无论是望远镜筒还是支架。这反过来意味着外壳也更小、更便宜。”

“对于半米望远镜，简单的倾斜大气校正就足够了，而不需要更昂贵的多元件自适应光学系统。而且由于有16个孔径，每个站点的成本每降低一次都会产生巨大的多米诺骨牌效应。是的，这里发生的主要交易是该设施只能观察更亮的物体-例如，主要是明亮的星星。”

就像太空望远镜一样，建造地面望远镜需要多年的资金、测试、规划和建设。这包括从多个政党和组织获得必要的资金，并为该地点找到合适的建筑工地。此外，在安装之前对望远镜进行测试对于它们在短期和长期内成功进行科学研究至关重要。

例如，GSUCHARA阵列始建于1984年，经过多年的筹资努力，终于在1998年完成，而阵列的建设直到2003年才完成。对于VLT/VLTI，资金于1987年开始筹集，建设于1991年开始，并于1998年完成。因此，下一步该怎么做才能使BFT成为现实?

“因此，BFT的规模化发展十分有趣，”vanBelle博士告诉UniverseToday。“目前，我们正在实验室中验证一些底层技术;其中相当一部分技术已在佐治亚州立大学CHARA阵列或欧洲南方天文台VLTI设施等地成熟部署。

“接下来，我们将在天空中测试一对望远镜。BFT由16台这样的望远镜组成，但我们已经可以用其中两台来测试它的性能。这种可扩展性使BFT成为比传统大型设施风险低得多的望远镜，在传统大型设施中，你必须或多或少地建造整个望远镜，然后才能在天空中测试它。”