美國宇航局廣域紅外巡天望遠鏡（WFIRST）將搜尋太陽系外的行星，朝向我們銀河系的中心，那裡是大多數恆星所在的地方。研究系外行星世界的性質，將有助於我們了解整個銀河系的行星系統是什麼樣子，以及行星是如何形成和演化的。將廣域紅外巡天望遠鏡的發現與美國宇航局（NASA）的開普勒望遠鏡和凌日系外行星調查衛星“苔絲”號(TESS)任務的結果結合起來：

將完成第一次對廣泛的行星品質和軌道等資訊的行星普查，使我們距離發現地球以外的宜居類地世界又近了一步。到目前為止，天文學家們已經發現了許多系外行星，當它們在被稱為凌日的事件中從宿主恆星前面經過時，恆星的光線會暫時變暗。廣域紅外巡天望遠鏡資料也可以發現凌日，但任務將主要觀察相反的效果：一種名為引力微透鏡的時空彎曲現象使光線彎曲併產生微小輻射激增。

這些事件比凌日事件要少見得多，因為它們依賴於兩顆相距甚遠、互不相關的恆星在太空中漂移的偶然性排列。位於馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達德太空飛行中心引力微透鏡小組的負責人大衛·貝內特(David Bennett)說：來自行星的微透鏡訊號罕見而短暫，但比其它方式發出的訊號更強。由於這是萬分之一的事件，廣域紅外巡天望遠鏡尋找低品質行星的關鍵是搜尋數億顆恆星。

時空彎曲的微透鏡

此外，微透鏡在發現宜居區內外的行星方面做得更好，宜居區是指行星表面可能存在液態水的軌道距離。當光線經過一個大品質天體體附近時，因為愛因斯坦的廣義相對論效應，導致時空彎曲（扭曲）就會產生這種效果（如下3張演示圖）。任何有品質的東西都會扭曲時空結構，有點像保齡球放在蹦床上時產生的凹痕。

光以直線傳播，但如果時空發生彎曲（如這發生在像恆星這樣的大品質物體附近）光就會沿著曲線運動。在任何時候，當兩顆恆星從我們的有利位置近距離排列時，來自較遠恆星的光線在穿過較近恆星的扭曲時空時會發生彎曲。這一現象是愛因斯坦廣義相對論的預言之一，1919年英國物理學家亞瑟·愛丁頓爵士在一次日全食中證實了這一點。

如果排列特別近，較近的恆星就像一個天然宇宙透鏡，聚焦和加強來自背景恆星的光線。圍繞前景恆星執行的行星也可能會改變透鏡光，充當它們自己的微小透鏡。行星造成的扭曲，使天文學家可以測量這顆行星的品質和與其主恆星的距離，這就是廣域紅外巡天望遠鏡將如何使用微透鏡來發現新是系外行星世界的原理。巴吞魯日路易斯安那州立大學物理學和天文學助理教授馬修·佩尼說：

今天試圖解釋行星數量，就像試圖解讀一幅一半被遮蓋的圖片一樣。佩尼領導了一項預測廣域紅外巡天望遠鏡微透鏡探測能力的研究，為了完全了解行星系統是如何形成的，需要找到近乎所有距離的行星。沒有一種技術可以做到這一點，但廣域紅外巡天望遠鏡的微透鏡測量，結合開普勒和TESS的結果，將揭示更多的情況。

熟悉又陌生的系外行星

到目前為止，已經發現了4000多顆確認的系外行星，但只有86顆是通過微透鏡發現的。通常用來尋找其他星球的技術偏，向於那些與太陽系中行星非常不同的行星。例如，凌日方法最適合於尋找軌道比水星小得多的類海王星行星，然而對於我們這樣的太陽系，凌日法可能會錯過很多顆行星。

廣域紅外巡天望遠鏡的微透鏡觀測，將幫助天文學家找到太陽系中除水星以外每一顆行星的相似之處，水星的小軌道和低品質結合在一起，使其超出了任務範圍。廣域紅外巡天望遠鏡將發現品質相當於地球甚至更小的行星，甚至可能是大衛星，比如木星的衛星木衛三。廣域紅外巡天望遠鏡還將在其他研究較少的類別中發現行星，微透鏡最適合於從恆星的宜居帶和更遠的地方尋找系外行星。

這包括像我們太陽系中的天王星和海王星這樣的冰川巨星，甚至還有流氓行星——自由漫遊在銀河系的世界，不受任何恆星的束縛。雖然冰川巨星在我們的太陽系中只佔少數，但2016年的一項研究表明，冰川巨星可能是整個銀河系中最常見的行星型別。廣域紅外巡天望遠鏡將對這一理論進行檢驗，並幫助我們更好地了解哪些行星特徵是最普遍的。

銀河系核心中隱藏的寶石

廣域紅外巡天望遠鏡將探索由於之前任務的不同目標，而尚未系統搜尋系外行星的銀河系區域。例如，開普勒望遠鏡搜尋了一個大約100平方度的中等大小區域，在大約1000光年的典型距離上有10萬顆恆星。苔絲號（TESS）掃描整個天空，跟蹤20萬顆恆星，但它們的典型距離約為100光年。廣域紅外巡天望遠鏡將搜尋大約3平方度，但將跟蹤大約1萬光年距離的2億顆恆星。

由於廣域紅外巡天望遠鏡是一臺紅外望遠鏡，它可以直接看到阻礙其他望遠鏡研究銀河系擁擠中心區域行星的塵埃雲。到目前為止，大多數地面微透鏡觀測都是在可見光下進行的，這使得銀河系的中心在很大程度上是未知的系外行星領域。自2015年以來，一項使用英國紅外望遠鏡(UKIRT)在夏威夷進行的微透鏡調查正在通過繪製該區域地圖，為廣域紅外巡天望遠鏡的系外行星普查鋪平道路。

UKIRT的觀測首次提供了對星系核心微透鏡事件速率的測量，星系核心是恆星最密集的地方。這些結果將幫助天文學家為廣域紅外巡天望遠鏡的微透鏡工作選擇最佳觀測策略。UKIRT團隊的最新目標是使用機器學習檢測微透鏡事件，這對廣域紅外巡天望遠鏡來說是至關重要的。這項任務將產生如此大量的資料，僅靠肉眼梳理是不切實際的，簡化搜尋將需要自動化的過程。

另外，UKIRT的結果指出了一種觀測策略，該策略將揭示儘可能多的微透鏡事件，同時避免最厚的塵埃雲，因為這種塵埃雲甚至可以阻擋紅外光。田納西州納什維爾範德比爾特大學的天文學家薩凡納·傑克林(Savannah Jacklin)曾領導過幾項UKIRT研究：我們目前與UKIRT的觀測正在奠定基礎，以便廣域紅外巡天望遠鏡能夠實施第一次基於空間的專用微透鏡觀測。

圖示：開普勒和其他系外行星搜尋工作已經發現了數千顆軌道較小的大型行星，圖中紅色和黑色的圓點代表了它們。廣域紅外巡天望遠鏡將發現品質範圍更廣的行星，其軌道距離它們的主星更遠，如藍點所示。

以前的系外行星任務擴大了我們對行星系統的了解，廣域紅外巡天望遠鏡將使我們朝著真正了解行星，特別是那些位於其宿主恆星宜居帶內的行星，是如何形成和演化的邁進了一大步。

從褐矮星到黑洞

同樣的微透鏡觀測將揭示數千顆行星，還將探測到數以百計的其他奇怪而有趣的宇宙物體，科學家們將能夠研究品質從火星到太陽100倍的自由漂浮天體。品質範圍低端包括從其宿主恆星丟擲的行星，現在它們作為流氓行星在銀河系漫遊。接下來是褐矮星，它們太大了，無法被定性為行星，但也不足以點燃為恆星。褐矮星不像恆星那樣發出明顯的光芒，但廣域紅外巡天望遠鏡將能夠通過它們形成時留下的熱量，在紅外線下對它們進行研究。

品質範圍高階的物體包括大品質恆星耗盡燃料時留下的恆星核心：中子星和黑洞。研究它們並測量它們的品質將有助於科學家更多地了解恆星的演化過程，同時提供恆星品質黑洞的普查。廣域紅外巡天望遠鏡的微透鏡觀測，不僅將促進我們對行星系統的理解，它還將使一系列其他研究成為可能，包括2億顆恆星的可變性，內銀河系的結構和形成，以及黑洞和其他難以或不可能用其他方式研究的黑暗、緻密天體的數量。