系外行星空间超高对比度成像关键技术研究取得进展

[ 录入者:zhangms | 时间:2016-11-24 10:53:09 | 作者: | 来源:中科院网站 | 浏览:1052次 ]

寻找另一个存在生命的星球是人类有史以来一直追求的梦想。这需要探测围绕太阳光谱型恒星宜居带内地球质量的行星系统,通过光谱研究该类行星大气成分,以确定其上是否存在生命特征信号,从而最终解答“人类在宇宙中是否孤独?”这一基本科学问题。其挑战在于直接探测来自类地行星的光子信号,需要解决来自望远镜衍射产生的光子噪声(通过星冕仪进行抑制,Ren, Dou & Zhu PASP 2010)以及由光学元件等不理想表面介入波像差产生的散斑噪声,以最终达到10-10(百亿倍)成像对比度。国际团队多采用可变形镜(DM)对上述波像差进行校正。但是,由于受到DM有效单元数限制,其高对比度成像暗区面积非常小,这将导致未来空间类地行星成像探测效率较低。

近期,中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所系外行星探测和高分辨率成像研究组在空间“超高”对比度成像技术领域取得了突破性进展:首次提出了一种在大面积工作区域内产生超高对比度成像技术方案。采用星冕仪结合液晶空间光调制器(SLM)波像差校正,可以获得与采用DM相当的成像对比度(10-10),而成像区域超过国际其他团队,这将有望极大地提高系外行星空间成像探测效率。该结果于11月18日发表在国际天文期刊《天体物理学报》(Dou & Ren ApJ 2016, 832, 84)。图1给出了大面积超高对比度暗区成像系统理论模拟结果。基于上述技术,团队在2015年首次在大面积区域内获得高达10亿倍的成像对比度,实验结果见图2(Liu, Ren & Dou et al. RAA 2015)。

该研究先后受到国家自然科学基金委重点项目(资助号:11433007)和中科院“空间科学预先研究(第二批,第三批课题,资助号分别为XDA04070600,XDA04075200)”等项目的资助(负责人:窦江培)。目前,第三批课题“系外行星天文成像初步方案及关键技术试验研究”于10月27日顺利通过了专家组技术评审。课题提出了具有创新性的空间系外行星成像探测方案,在关键技术攻关方面取得突破性进展,满足任务书要求。

前期,项目组提出的Cool Planet Imager(CPI)计划已被列入中科院空间科学战略性先导科技专项——空间天文2016-2030发展规划。下一步,项目组将对现有试验系统进行优化升级,有效压缩现有系统的体积,并将整套系统放置于真空罐中,进一步将成像对比度提高一个量级。这将为下一步搭载空间天文望远镜开展系外类地/类木冷行星的天文成像探测和大气光谱特征研究奠定技术基础。

    文章链接

图1. 超高对比度成像系统理论模拟结果。上图:由相位校正单元提供的波像差(左),产生的大区域高对比度成像暗区(右);下图:成像对比度曲线(蓝色——散斑噪声占主导情况下系统成像对比度~10-7,红色——经过SLM校正之后在大工作区域内4~45λ/D获得高达100亿倍的成像对比度)。

图2. 超高对比度成像系统实验结果:未经过星冕仪校正,行星淹没在恒星散斑噪声之中(左);经过星冕仪精确校正之后,由系统静态波相差产生的散斑噪声被有效消除,使得较恒星光暗109倍的行星(白色圆圈内)清晰可见(右)。

 

本周热点

在新窗口打开 实际大小 关闭 鼠标滚轮缩放图片

loading.