NASA WFIRST将使用扭曲的时空探测系外行星

WFIRST将在银河系中心的方向进行微透镜观测。更高密度的恒星将产生更多的系外行星探测。

NASA的任务将识别大轨道的行星，类似于我们太阳系遥远的巨型天王星和海王星。

NASA的广域红外勘测望远镜（WFIRST）将在太阳系外搜寻朝向大多数恒星所在的银河系中心的行星。研究系外行星世界的性质将有助于我们了解整个银河系中的行星系统是什么样的，以及行星如何形成和演化。

将WFIRST的发现与NASA开普勒和过境系外行星测量卫星（TESS）任务的结果相结合，将完成对广泛的行星质量和轨道敏感的首次行星普查，使我们离发现距我们更近的可居住类地球世界更近了一步自己的。

该动画说明了引力微透镜的概念。当天空中的一颗恒星似乎几乎通过另一颗恒星时，由于前景恒星周围的时空扭曲，背景源恒星的光线会弯曲。这样，该恒星就是一个虚拟放大镜，放大了背景源恒星的亮度，因此我们将前景恒星称为透镜恒星。如果透镜星包含一个行星系统，那么这些行星也可以充当透镜，每个行星都会在光源的亮度上产生短暂的偏差。因此，我们发现系外行星的存在，并测量其质量和与恒星的分离。

迄今为止，天文学家发现了大多数行星，这些行星是在称为“过境”的事件中经过其恒星前方时，暂时使该恒星的光线变暗的。WFIRST数据也可以发现过境，但是任务将主要注意相反的效果-由称为微透镜的光弯曲现象产生的辐射很少激增。这些事件比过境要少得多，因为它们依赖于两个在空间上漂移的，彼此分离且无关的恒星的机会对准。

该动画演示了引力微透镜事件可以观察到的两种方式。最重要的是望远镜能够解析这些特征的方式。当源恒星的光被近距离的透镜恒星及其行星扭曲时，源恒星似乎发生了移动和扭曲。底部是一条光曲线，显示事件发出的光的强度。当两颗恒星达到最佳对准时，信号达到其峰值。作为亮度的短暂变化，可以检测到绕着恒星运转的行星。

“来自小行星的微透镜信号很少见且短暂，但它们比其他方法产生的信号要强。”美国马里兰州格林贝尔特市宇航局戈达德太空飞行中心引力微透镜小组的负责人大卫·本内特说。“由于这是百万分之一的事件，因此WFIRST寻找低质量行星的关键是搜索数亿颗恒星。”

此外，微透镜更适合于发现可居住区域内外的行星-在可居住区域内行星可能在其表面上有液态水的轨道距离。

微透镜101

当光线通过大的物体附近时，会发生这种效果。任何有质量的东西都会扭曲时空的结构，就像保龄球放在蹦床上时所产生的凹痕一样。光线沿直线传播，但是如果时空发生弯曲（发生在像恒星之类的巨大物体附近），光线就会沿着曲线移动。

WFIRST将在银河系中心的方向进行微透镜观测。更高密度的恒星将产生更多的微透镜事件，包括那些揭示系外行星的事件。

每当两颗恒星从我们的有利位置紧密对准时，来自较远恒星的光线就会弯曲，穿过近距离恒星的扭曲时空。这种现象是爱因斯坦广义相对论的预言之一，在1919年的日全食期间被英国物理学家亚瑟·爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）著名地证实了。如果对准特别紧密，则较近的恒星就像天然的宇宙透镜一样，聚焦并增强来自背景恒星的光。

绕着前景恒星运行的行星也可能会修改透镜光，就像它们自己的微小透镜一样。他们产生的畸变使天文学家能够测量行星的质量和距其恒星的距离。这就是WFIRST将如何使用微透镜来发现新世界的方式。

陌生世界

位于巴吞鲁日的路易斯安那州立大学物理与天文学助理教授马修·彭尼（Matthew Penny）说：“试图解释当今的行星人口就像试图解释一张覆盖了一半的图片一样，”他领导一项研究来预测WFIRST的微透镜调查能力。“要完全了解行星系统是如何形成的，我们需要找到所有距离的所有质量的行星。没有人能做到这一点，但是WFIRST的微透镜调查与开普勒和TESS的结果相结合，将揭示出更多的图像。”

这对动画对高质量和低质量行星的两种行星检测方法（微透镜（顶部）和过渡（底部））的信号进行了比较。来自小行星的微透镜信号很少见且短暂，但它们比其他方法的信号要强。

到目前为止，已经发现了4000多颗已确认的系外行星，但是通过微透镜只能发现86颗。通常用于寻找其他世界的技术偏向于倾向于与我们太阳系中的行星截然不同的行星。例如，过境方法最适用于寻找轨道比水星小得多的亚海王星般的行星。对于像我们这样的太阳系，过境研究可能会错过每个星球。

WFIRST的微透镜调查将帮助我们找到太阳系中除水星以外的每个行星的类似物，水星的小轨道和低质量相结合使它超出了任务的范围。WFIRST将发现地球质量甚至更小的行星-甚至可能是大型卫星，例如木星的卫星Ganymede。

开普勒和其他系外行星的搜索工作已经发现了成千上万个具有小轨道的大型行星，这些行星由这张图上的红色和黑色圆点表示。WFIRST将发现质量范围更广的行星离其恒星更远的轨道运行，如蓝色圆点所示。
美国航空航天局的戈达德太空飞行中心，改编自Penny等。(2019)

WFIRST还将在其他研究不足的类别中找到行星。微透镜最适合从恒星的宜居区域和更远的地方寻找世界。这包括我们太阳系中的天王星和海王星等冰巨星，甚至还有流氓行星-世界自由漫游的银河系，没有任何恒星。

尽管冰巨人在我们的太阳系中是少数，但一项2016年的研究表明，冰巨人可能是整个银河系中最常见的行星。WFIRST将对该理论进行检验，并帮助我们更好地了解哪些行星特征最为普遍。

银河系核心中的隐藏宝石

WFIRST将探索由于先前任务的目标不同而尚未系统地搜寻系外行星的银河区域。例如，开普勒（Kepler）在大约一千光年的典型距离内搜索了一个100平方度的适度大小的区域，其中有100,000个恒星。TESS扫描整个天空并追踪20万颗恒星；但是它们的典型距离约为100光年。WFIRST的搜寻范围大约为3平方度，但将追踪2亿颗恒星，距离约为10,000光年。

WFIRST将具有类似哈勃的角分辨率，因为它将绕地球大气层运行，使它能够将主恒星和源恒星与微透镜事件分开。它的广阔视野将使WFIRST能够以前所未有的规模对行星的恒星进行分类，从而加深了我们对整个银河系系统类型的理解，包括我们自己的系统。

由于WFIRST是一台红外望远镜，它将直射穿过尘埃云层，这些尘埃云阻碍了其他望远镜研究我们银河系拥挤的中央区域中的行星。迄今为止，大多数基于地面的微透镜观测都是在可见光下进行的，这使得银河系的中心在很大程度上未知的系外行星领土。自2015年以来，使用夏威夷的英国红外望远镜（UKIRT）进行的微透镜调查通过对该地区进行制图，为WFIRST系外行星普查铺平了道路。

UKIRT的调查首次提供了对朝向恒星最密集的星系核心的微透镜事件发生率的测量。这些结果将帮助天文学家为WFIRST的微透镜工作选择最终的观测策略。

UKIRT小组的最新目标是使用机器学习检测微透镜事件，这对于WFIRST至关重要。该任务将产生大量数据，以至于单凭肉眼对其进行梳理是不切实际的。简化搜索将需要自动化的过程。

UKIRT的其他结果指出了一种观测策略，该策略将揭示可能发生的最大微透镜事件，同时避免会阻塞甚至红外光的最厚的尘埃云。

田纳西州纳什维尔范德比尔特大学的天文学家萨凡纳·杰克林（Savannah Jacklin）说：“我们目前对UKIRT的调查奠定了基础，以便WFIRST可以实施首个太空专用微透镜调查。”他领导了UKIRT的多项研究。“以前的系外行星飞行任务扩大了我们对行星系统的了解，WFIRST将使我们迈出一大步，使我们真正了解行星，尤其是在其宿主恒星可居住区域内的行星是如何形成和演化的。”

从棕矮星到黑洞

同样的微透镜调查将揭示成千上万个行星，还将探测数百个其他奇异而有趣的宇宙物体。科学家将能够研究质量范围从火星到太阳的100倍的自由漂浮物体。

质量范围的低端包括从其主恒星弹出的行星，现在像流氓行星一样在银河系中漫游。其次是棕矮星，它们太大了以至于不能被描述为行星，但还不足以点燃成恒星。褐矮星看上去不像星星那样闪闪发光，但是WFIRST能够通过其形成的余热在红外光中对其进行研究。

高端物体包括恒星尸体-中子星和黑洞-当大质量恒星耗​​尽燃料时会留下来。研究它们并测量它们的质量将有助于科学家更多地了解恒星的死角，同时进行恒星质量黑洞的普查。

潘妮说：“ WFIRST的微透镜调查不仅会增进我们对行星系统的了解，还将使其他许多研究工作涉及2亿颗恒星的变率，银河系的内部结构和形成以及人口黑洞和其他深色或紧凑的物体，这些物体很难或不可能以其他任何方式研究。”

2020财年《综合拨款法案》为WFIRST计划提供了资金支持，直到2020年9月。2021财年的预算请求建议终止为WFIRST任务提供资金，并将重点放在完成詹姆斯·韦伯太空望远镜（现已计划于2021年3月发射）上。在韦伯成功发射和部署之前，政府不准备使用另一台价值数十亿美元的望远镜。

WFIRST由戈达德管理，NASA的喷气推进实验室和帕萨迪纳的Caltech / IPAC，巴尔的摩的太空望远镜科学研究所以及来自美国各地研究机构的科学家组成的科学团队共同参与。