原子精确传感器可以探测到另一个地球亚博排列五投注网站

凝视着黑暗以及似乎无边无际的夜空，人们一直在想:在某个地方，是否还有另一个像我们这样的世界?多亏了我们和其他天文学家正在亚博排列五投注网站开发的新型传感器，我们这代人可能是第一个得到肯定答案的人——另一个地球最早的迹象可能在今年出现。

天文学家发现数千颗系外行星到目前为止，差不多了两打其中一些行星的大小与我们的行星大致相同，并在其恒星的所谓宜居带内运行，那里的表面可能存在液态水。但这些行星都没有被证实是像地球一样由岩石构成的，也没有像太阳一样围绕恒星运行。尽管如此，我们仍然有充分的理由期待天文学家们在银河系附近的部分探测到这样一颗行星。

那他们为什么还没找到呢?我们可以用三个词来概括困难:分辨率、对比度和质量。想象一下在几百光年外寻找地球。你需要一个巨大的望远镜才能分辨出这样一个距离太阳仅1.5亿公里(0.000016光年)的小蓝点。而地球，其亮度不到太阳的十亿分之一，将是无望的迷失在耀眼的光芒中．

地球2.0:这幅艺术家的作品展示了类地系外行星可能会出现的样子。插图:Peter Sanitra/NoEmotion

出于同样的原因，目前的天文台，甚至正在建造的下一代太空望远镜都没有机会拍摄到我们的系外行星双胞胎的照片。即使这种成像成为可能，它也将使我们能够测量系外行星的大小和轨道周期，但不能测量它的质量，否则我们无法确定它是像地球一样的岩石，还是像木星一样主要是气体。

由于所有这些原因，天文学家将首先通过利用自20世纪90年代中期以来一直用于探测系外行星的工具:光谱学来探测另一个地球。绕轨道运行的系外行星的引力使其恒星发生轻微的“摆动”，从而相应地导致恒星光谱发生轻微而缓慢的变化。对于doppelgänger的地球来说，这种波动是如此微妙，以至于我们必须在一个超稳定真空室中心的硅探测器上，寻找一个彩虹般的星光模式中，测量几个原子的位移。

我们小组在宾夕法尼亚州立大学，是由美国国家航空航天局和美国。国家科学基金(NSF)，构造了一种叫做NEID(简称nn -探索多普勒光谱系外行星调查)，部署在亚利桑那州，搜索北半球的天空。(neid这个名字，发音为“NOO-id”，来源于美国印第安语，意思是“看到”。耶鲁大学团队建造了另一个仪器，叫做表达(用于极端精密光谱仪)，该光谱仪也将在亚利桑那州运行。与此同时，由日内瓦大学和欧洲南方天文台试运行一种仪器叫什么浓缩咖啡(用于岩石系外行星和稳定光谱观测的梯级光谱仪)，在智利，在南部的天空中狩猎。

这三个小组都在以新颖的方式整合诺贝尔奖获奖技术，以创建飞米级精度的尖端数字光谱仪。他们的共同目标是实现有史以来最精确的恒星运动测量。探索难以捉摸的“地球2.0”的竞赛正在进行中。

利用光谱学捕捉系外行星引起的摆动是一个古老的想法，基本原理很容易理解。当地球在一个巨大的轨道上围绕太阳公转时，它会把质量是太阳30万倍的太阳拉到一个小得多的“反向轨道”上，在这个轨道上，太阳的运动速度仅为每秒10厘米，大约是箱龟的速度。

即使是这样缓慢的运动也会导致阳光的波长偏移——偏移幅度小于十亿分之一——在运动方向上向较短、较蓝的波长偏移，在运动方向上向较长、较红的波长偏移。系外行星的主恒星发出的光也会产生类似的多普勒频移。行星越重，多普勒频移越大，使行星更容易被探测到。

1992年，射电天文学家观测了被称为脉冲星的奇怪物体，利用脉冲星发出的无线电信号的时间来推断它们拥有系外行星。1995年，日内瓦大学的米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)利用普通恒星发出的光的多普勒摆动来寻找绕轨道运行的同伴，发现了一颗巨大的行星，每四天绕飞马座51恒星运行一次。

马约尔和奎洛兹因此获得了2019年诺贝尔物理学奖，这一意想不到的发现打开了闸门。“多普勒摆动”方法已经被用于探测800多颗系外行星，几乎所有的系外行星都比地球重。

到目前为止，几乎所有已知的与地球大小和质量相当或更小的系外行星都是使用不同的技术发现的。当这些行星绕轨道运行时，它们偶然地从它们的恒星和我们的望远镜之间经过，导致恒星的表观亮度在一段时间内略微变暗。天文学家称之为凌日的现象会暴露出行星的直径，再加上行星的晃动，就能揭示行星的质量。

自从1999年第一颗凌日系外行星被发现以来，科学家们一直在研究开普勒空间望远镜和凌日系外行星探测卫星（苔丝)已经发现了数千个，而且这个数字还在继续增长。这些天体中的大多数都不同于太阳系中的任何天体。有些行星是巨行星，比如木星，它们的轨道离主星非常近，使得水星的白天面看起来很冷。其他的是像海王星或天王星这样的气体行星，但要小得多，或者像地球这样的岩石行星，但要大得多。

通过对丰富结果的统计分析，天文学家推断，我们自己的银河系一定是数十亿像地球这样的岩石行星在其主恒星的宜居带内运行。一个最近发表的研究参与开普勒任务的科学家们估计，银河系中至少有7%(可能更接近一半)的类太阳恒星拥有潜在的宜居世界。这就是为什么我们如此有信心，只要有足够灵敏的仪器，就有可能探测到其他地球。

但要做到这一点，天文学家必须测量行星的质量、大小和轨道周期，这意味着要测量它的多普勒摆动而且它的交通。来自开普勒和tess的大量数据——其中大部分还有待分析——涵盖了凌日角。现在，我们和其他天文学家要对多普勒摆动进行更精确的测量。

NEID，我们的选手在寻找地球2.0的竞赛中，通过在两个方面同时取得进展，提高了多普勒测速仪的精度:更大的稳定性和更好的校准。我们的设计是基于欧洲天文学家在2000年代所做的工作，他们建造了高精度径向速度行星搜索器(竖琴)，它能很好地控制温度、振动和压力，从而在不牺牲精度的情况下，忠实地跟踪恒星光线的微妙多普勒位移。

2010年，我们和这一领域的其他专家聚集在宾夕法尼亚州立大学，交换意见，讨论我们对未来的期望。自2002年以来，HARPS已经有了重大发现;美国的努力似乎落后了。最近的十年回顾由美国。美国国家科学院建议了一个“积极的计划”来夺回领先地位。

参加研讨会的天文学家给NASA和NSF写了一封信，这封信促使他们启用了一台新的光谱仪，安装在亚利桑那州凯特峰国家天文台的3.5米WIYN望远镜上。(“WIYN”是四个创始机构名称的首字母缩写。)NEID将由一个国际财团在宾夕法尼亚州立大学建造。

近距离彩虹:NEID光谱仪分析波长范围从380到930纳米。该仪器使用一种叫做激光频率梳的设备的校准标记来检测恒星大气中气体引起的吸收特征的微妙变化。摄谱仪能够感应到仅为这些标记之间间距的四万分之一的位移。

像之前的HARPS一样，NEID结合了新技术和新方法，在长期观测中实现了前所未有的稳定性。仪器的任何微小变化——无论是温度还是压力，星光照亮其光学系统的方式，甚至是仪器铝结构在老化过程中几乎察觉不到的膨胀——都可能导致分散的星光在探测器上蔓延。这可能看起来与多普勒频移难以区分，并破坏我们的观测。因为我们要测量的摆动在传感器上仅表现为几飞米的位移——相当于组成探测器的原子的大小——我们必须保持一切异常稳定。

这要从对这个像汽车一样大的仪器的精密热控制开始。它要求我们设计尖端的数字探测器和精密的激光系统，与原子钟相结合。这些系统就像一把尺子，用来测量恒星摆动的幅度。

然而，我们知道我们无法建立一个完美的稳定的仪器。所以我们依靠校准来完成剩下的路。以前的仪器使用含有钍或铀的专用灯，这些灯发出数百种不同的、众所周知的波长的光，这些波长是校准光谱探测器的标准。但这些灯随着年龄的变化而变化。

NEID依赖于激光频率梳:一项获得诺贝尔奖的技术，可以产生数百个均匀间隔的频率峰值的激光。梳子的精度，仅受我们最好的原子钟的限制，好于千万亿分之一。通过使用梳子定期校准仪器，我们可以解释任何残留的不稳定性。

在某个地方，另一颗地球绕着它的恒星运行，它围绕着它们共同的重心缓慢地摆动。在一年左右的时间里，这颗恒星的光谱会略微转向红色，然后转向蓝色。当星光到达凯特峰时，望远镜将其聚焦在玻璃光纤的尖端，光纤将光线通过导管引导到天文台的内部，进入一个专门设计的房间，里面装有NEID仪器。

聚焦点必须在每次观察中以完全相同的方式击中纤维;任何变化都可以转化为探测器上略有不同的照明模式，模拟恒星多普勒频移。有25年历史的WIYN望远镜从来就不是为这样的工作而设计的，所以为了确保一致性，我们在威斯康星大学麦迪逊分校的同事们建立了一个接口，以每秒数百次的速度监测恒星图像的焦点和位置，并快速调整以保持焦点稳定。

在隔热的一楼房间里，一个强大的加热和冷却系统使一个真空室沐浴在空气中，保持20°C的恒定温度。NEID的摄谱仪组件在真空室内的压力小于标准大气压的百万分之一，通过泵和“吸附剂”(包括2升低温木炭)的组合保护，即使是微小的压力变化也不会发生。

一个由超过75个高精度温度计组成的网络主动控制着仪器外表面的30个加热器，以补偿任何意外的热波动。由于没有可能产生热量并破坏这种微妙热平衡的运动部件或电机，该系统能够将NEID的核心光学组件保持在26.850°C，正负0.001°C。

当星光从光纤中射出时，它会照射到一个抛物面准直镜，然后是一个800毫米长的反射衍射光栅。光栅将光线分割成100多条彩色细线。然后，一个巨大的玻璃棱镜和一个由四个透镜组成的系统将这些线条分布在一个8000万像素的硅基电荷耦合器件上。在CCD传感器中，来自遥远恒星的光子被转换成电子，由超灵敏的放大器一次一个地计数。

来自放大器的热量使探测器本身以几乎不可能校准的方式膨胀和收缩。我们必须设计出一种方法，尽可能地保持运行热量恒定和可控。

CCD内的电子以像素为单位积累，这些像素实际上是微米大小的电势阱，由施加在硅衬底一侧的微小电极上的电压产生。通常的方法是保持这些电压恒定，而快门是打开的，仪器收集恒星光子。在观察结束时，对电压的操作将收集到的电子转移到读出放大器。但是这样的技术产生的热量——只有百分之几瓦——足以使NEID这样的系统瘫痪。

我们的团队设计了一种替代操作方法来防止这个问题。我们控制CCD电压在的恒星光子的集合，在不牺牲其完整性的情况下略微抖动像素。结果是来自探测器的恒定热负荷而不是瞬态脉冲。

CCD探测器的微小缺陷给我们带来了一个单独的工程挑战。最先进的商用ccd具有高像素数、低噪音和无可挑剔的光灵敏度。然而，这些传亚博排列五投注网站感器在数百万个单个像素的大小和位置以及电子在探测器阵列中移动的效率方面都有微小的变化。这些细微的瑕疵会产生比我们要探测的飞米级多普勒频移大得多的涂抹效应。激光频率梳提供的原子尺使我们能够以前所未有的精度测量传感器的缺陷并适当校准其输出，从而解决这个问题。

我们还必须修正望远镜本身的运动，因为它以每秒几十公里的速度绕着地轴和太阳旋转——这种运动产生的明显多普勒频移是系外行星引起的~10厘米/秒的摆动的数十万倍。幸运的是，美国宇航局的喷气推进实验室几十年来一直在测量地球在太空中的速度，其精度远远高于我们用光谱仪测量的速度。我们的软件将这些数据与地球自转的敏感测量数据结合起来，以校正望远镜的运动。

2020年1月，NEID实现了它的“第一光”对飞马座51号的观测．从那时起，我们改进了仪器的校准和调谐，近几个月来，它已经接近我们的设计目标，测量慢至33厘米/秒的多普勒摆动——朝着10厘米/秒灵敏度的最终目标迈出了一大步。随着调试工作的进行，该仪器现在正在定期测量一些离我们最近、最亮的类太阳恒星，以寻找行星。

与此同时，在智利的阿塔卡马沙漠，迄今为止最复杂的此类仪器，ESPRESSO，一直在分析来自4个8.2米望远镜收集和组合的星光的多普勒频移超大望远镜．ESPRESSO是一个技术奇迹，通过使用两个手臂，分别装有光学系统和CCD探测器，对可见光谱的红色和蓝色部分进行了优化，实现了对非常微弱和遥远恒星的前所未有的精确观测。

ESPRESSO已经演示了精确到25厘米/秒的测量，随着多年调试过程的继续，预计灵敏度还会更高。天文学家已经用这个仪器证实了a的存在超大岩石行星在距离太阳最近的比邻星的紧密轨道上，并观察极端炎热的行星WASP-76b，在那里铁水大概是从天上落下的．

在4.3米处洛厄尔发现望远镜亚利桑那州弗拉格斯塔夫附近。在美国，express最近展示了其测量恒星运动的能力，其测量精度远高于50厘米/秒。将安装在其他望远镜上的其他几台多普勒测速仪，要么正处于建造的最后阶段，要么即将投入使用。各种各样的设计将有助于天文学家观测不同种类和大小的恒星。

自2010年的会议以来，我们的仪器制造商社区很快就了解了哪些设计解决方案工作得很好，哪些设计解决方案的麻烦超过了它们的价值。也许当我们在加州召开下一次这样的会议时，其中一个小组已经找到了地球2.0。不过，我们无从得知，火星上是否有外星生命——如果是的话，外星人是否也发现了我们。

本文发表在2021年3月的印刷版上，题为“我们如何找到另一个地球”。