我们现在已经知道太阳系外有超过 5,000 颗系外行星。然而，我们对这些世界中的每一个世界的真正了解却微乎其微。它们中的大多数只是通过它们在绕轨道运行的恒星前方穿过时留下的阴影而被间接观测到。研究人员设法实际拍摄到的少数行星——也就是说，使用来自行星本身的光直接成像——即使使用目前最好的望远镜，也只显示为单色点。到目前为止，所有这些直接成像的世界都是已知最明亮、最大和最不像地球的系外行星。
遥远的未来可能会有所不同。一颗遥远的系外行星的图片能有多详细——尤其是一颗像地球一样小而多岩石的行星？答案是，总有一天，天文学家可以获得揭示一些遥远的类地世界（围绕外星恒星运行）上的大陆、云层、海洋、冰盖甚至植被的图像。
问题在于，完成这项任务的最强大的望远镜无法建造——不完全是这样。相反，它必须使用爱因斯坦广义相对论的原则来将我们的太阳变成一个恒星大小的放大镜。阿尔伯特·爱因斯坦的关键见解——引力可以理解为时空弯曲——意味着恒星和其他大质量物体充当天然的“引力透镜”，扭曲和放大来自背景物体的光线。
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今天的天文学家经常使用星系和星系团作为引力透镜，但是将这项技术用于我们的太阳的前景带来了如此多的挑战，以至于很少有研究人员认真对待它。最值得注意的是，该方法需要精确定位传统望远镜——例如哈勃望远镜——在任何给定目标的透镜放大光聚焦的点上。对于太阳而言，这些焦点位于太阳系的最外围——至少比冥王星远 14 倍。
现在，斯坦福大学天文学家的一项新研究表明，对于仍然艰巨的通过使用我们的太阳作为宇宙望远镜来为系外行星成像的任务，可能存在一个简化的捷径。该研究发表在《天体物理学杂志》上，表明天文学家最终可以实现系外行星成像，其分辨率比事件视界望远镜高 1000 倍，事件视界望远镜已被用于捕获超大质量黑洞的历史性首张图像。该论文的合著者、斯坦福大学天体物理学家布鲁斯·麦金托什说：“想到这可以看作是研究系外行星过程的最终结局，真是太棒了，或者至少是除了实际访问它们之外的最终结局。”
麦金托什的合著者兼研究生亚历克斯·马杜罗维奇首先将真实的地球卫星图像输入计算机模型，该模型将我们的世界简化为如果从远处通过恒星引力透镜看到的样子。在大多数情况下，生成的图像将是“爱因斯坦环”——行星的光线弯曲绕透镜恒星产生的扭曲的圆形污迹。另一位研究人员，美国宇航局喷气推进实验室的斯拉瓦·图里舍夫早期的工作表明，校正这些失真将需要在太阳系边缘的焦点区域内有条不紊地来回移动集光传统望远镜。以某种方式从 800 亿公里外的地球向上编排的行星扭曲投影的逐像素扫描可能需要数千小时并消耗大量燃料。
然而，马杜罗维奇和麦金托什意识到，考虑到太阳略呈椭圆形而不是完美的球形，这种严苛的计算可能会改变。这个微小的细节意味着，如果目标系外行星从焦点区域望远镜看到的角度与太阳的赤道完美对齐，那么产品就不是爱因斯坦环，而是“十字”——太阳周边的四个不对称的行星副本。马杜罗维奇发现，如果利用这种不对称性，则可以消除重建目标系外行星未失真图像的扫描过程。他说：“你不必在图像内部移动[你的望远镜]。” “你只需呆在一个位置即可。”
图里舍夫没有参与这项最新研究，他对消除他最初描述的费力的扫描过程持怀疑态度。他说，麦金托什和马杜罗维奇提出的理想化的图像重建技术将必须克服我们太阳及其沸腾的外层大气（称为日冕）的亮度可能造成的干扰。“如果太阳只是黑暗的，那就太好了，对吧？” 图里舍夫说。但事实并非如此，当然，即使是最好的设备也无法完全阻止其一部分光线渗入望远镜，尤其是直接盯着我们恒星的望远镜。“他们的论文很精彩，但它只是一个理论，”他补充道。
即使可以消除扫描过程，也还有其他限制需要考虑。每个以太阳引力透镜为目标的系外行星可能都需要自己专用的类哈勃太空望远镜，该望远镜被发送到太阳系外围并在此处运行。例如，对于这样一个天文台来说，要对距离其原始目标仅 10 度的第二颗系外行星成像，它需要将其在太阳周围的位置移动超过 140 亿公里。“要使用太阳引力透镜，您需要极其精确地对齐望远镜、太阳和行星，”马杜罗维奇说。单个望远镜不可能一次对多个行星或具有几个有趣世界的恒星系统进行成像。
正是这种限制使得巴黎天文台的天文学家让·施耐德将目光投向了太阳引力透镜的另一种可能更可行的替代方案：超望远镜。这种广泛的概念设想通过使用在太空中成队飞行的许多米级镜面来探测系外行星的表面特征，以创建比以往任何单个望远镜都更大的虚拟望远镜。施耐德同意潜在的外星植被的直接图像将是“宝贵的”，并将提供通过任何其他已知的遥感观测方法都无法获得的见解。
美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家秋·罗伯格指出，天文学家甚至不知道是否还有另一个像我们自己的世界存在——“不仅仅是地球大小，”她说，“而是类地，拥有海洋、大陆、大气层和生物圈。” 并且直接成像，似乎是真正找出答案的唯一方法。
国家科学院、工程院和医学院的报告《2020 年代天文学和天体物理学发现之路》（又称 Astro2020 十年调查）中提议的天文台，可能会为罗伯格及其同行提供他们需要的答案带来近期希望。该调查是指导美国天文学的十年路线图。其最新的路线图的顶端是一个概念，即建造一个镜面宽度超过六米的太空望远镜，这有点像“超级哈勃”，经过调整以收集光学、红外和紫外线，计划最早在 2040 年代初期发射。
根据 Astro2020 的建议，这种望远镜的核心能力之一将是对各种系外行星进行直接成像，其主要目标是研究它们的大气层，以便更好地猜测它们的环境条件。从那里，天文学家可能会确定我们所知的生命所必需的化学物质或副产品——水、有机化合物、游离氧等等——是否存在于任何目标世界中。这个拟议的望远镜可能成像的模糊斑点可能是真正了解系外行星是否有能力孕育生命的第一小步。大多数天文学家认为，只有在这样的任务之后，我们才能实现建造超望远镜或利用太阳引力透镜来获得详细的表面图像的巨大飞跃。“我们有通往 2040 年代的道路。在那之后，就是狂野西部了，”罗伯格说。
尽管太阳引力透镜的性质非常遥远，但图里舍夫、麦金托什和马杜罗维奇的看法是一致的：现在思考它的可能性是值得的。太阳帆和其他非常规推进技术的进步已经提供了加速到达太阳系最外层所需旅程的可能性。挑战依然艰巨，但是将我们的恒星用作终极望远镜可能比现在任何人怀疑的更接近现实。通过预测该方法的理论和实际限制，当它最终触手可及时——或者如果它最终触手可及时——问题将不再是“我们能做到这一点吗？”，而是“我们应该对哪些行星进行成像？”