系外行星空間超高對(duì)比度成像關(guān)鍵技術(shù)研究取得進(jìn)展
尋找另一個(gè)存在生命的星球是人類(lèi)有史以來(lái)一直追求的夢(mèng)想。這需要探測(cè)圍繞太陽(yáng)光譜型恒星宜居帶內(nèi)地球質(zhì)量的行星系統(tǒng)，通過(guò)光譜研究該類(lèi)行星大氣成分，以確定其上是否存在生命特征信號(hào)，從而最終解答“人類(lèi)在宇宙中是否孤獨(dú)？”這一基本科學(xué)問(wèn)題。其挑戰(zhàn)在于直接探測(cè)來(lái)自類(lèi)地行星的光子信號(hào)，需要解決來(lái)自望遠(yuǎn)鏡衍射產(chǎn)生的光子噪聲（通過(guò)星冕儀進(jìn)行抑制，Ren, Dou & Zhu PASP 2010）以及由光學(xué)元件等不理想表面介入波像差產(chǎn)生的散斑噪聲，以最終達(dá)到10-10（百億倍）成像對(duì)比度。國(guó)際團(tuán)隊(duì)多采用可變形鏡（DM）對(duì)上述波像差進(jìn)行校正。但是，由于受到DM有效單元數(shù)限制，其高對(duì)比度成像暗區(qū)面積非常小，這將導(dǎo)致未來(lái)空間類(lèi)地行星成像探測(cè)效率較低。 bZ:+q1
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近期，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所系外行星探測(cè)和高分辨率成像研究組在空間“超高”對(duì)比度成像技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展：首次提出了一種在大面積工作區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生超高對(duì)比度成像技術(shù)方案。采用星冕儀結(jié)合液晶空間光調(diào)制器（SLM）波像差校正，可以獲得與采用DM相當(dāng)?shù)某上駥?duì)比度（10-10），而成像區(qū)域超過(guò)國(guó)際其他團(tuán)隊(duì)，這將有望極大地提高系外行星空間成像探測(cè)效率。該結(jié)果于11月18日發(fā)表在國(guó)際天文期刊《天體物理學(xué)報(bào)》（Dou & Ren ApJ 2016, 832, 84）。圖1給出了大面積超高對(duì)比度暗區(qū)成像系統(tǒng)理論模擬結(jié)果�；谏鲜黾夹g(shù)，團(tuán)隊(duì)在2015年首次在大面積區(qū)域內(nèi)獲得高達(dá)10億倍的成像對(duì)比度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2（Liu, Ren & Dou et al. RAA 2015）。 m;hp1VO)
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該研究先后受到國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目（資助號(hào)：11433007）和中科院“空間科學(xué)預(yù)先研究（第二批，第三批課題，資助號(hào)分別為XDA04070600，XDA04075200）”等項(xiàng)目的資助（負(fù)責(zé)人：竇江培）。目前，第三批課題“系外行星天文成像初步方案及關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)研究”于10月27日順利通過(guò)了專(zhuān)家組技術(shù)評(píng)審。課題提出了具有創(chuàng)新性的空間系外行星成像探測(cè)方案，在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面取得突破性進(jìn)展，滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)要求。 d4ld-y
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前期，項(xiàng)目組提出的Cool Planet Imager（CPI）計(jì)劃已被列入中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)——空間天文2016-2030發(fā)展規(guī)劃。下一步，項(xiàng)目組將對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，有效壓縮現(xiàn)有系統(tǒng)的體積，并將整套系統(tǒng)放置于真空罐中，進(jìn)一步將成像對(duì)比度提高一個(gè)量級(jí)。這將為下一步搭載空間天文望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展系外類(lèi)地/類(lèi)木冷行星的天文成像探測(cè)和大氣光譜特征研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。 \'[tfSB
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文章鏈接：http://iopscience.iop.org/article/10.3847/0004-637X/832/1/84 i2(v7Gef
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圖1. 超高對(duì)比度成像系統(tǒng)理論模擬結(jié)果。上圖：由相位校正單元提供的波像差（左），產(chǎn)生的大區(qū)域高對(duì)比度成像暗區(qū)（右）；下圖：成像對(duì)比度曲線(xiàn)（藍(lán)色——散斑噪聲占主導(dǎo)情況下系統(tǒng)成像對(duì)比度~10-7，紅色——經(jīng)過(guò)SLM校正之后在大工作區(qū)域內(nèi)4~45λ/D獲得高達(dá)100億倍的成像對(duì)比度）。 UcD<vg"p
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圖2. 超高對(duì)比度成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：未經(jīng)過(guò)星冕儀校正，行星淹沒(méi)在恒星散斑噪聲之中（左）；經(jīng)過(guò)星冕儀精確校正之后，由系統(tǒng)靜態(tài)波相差產(chǎn)生的散斑噪聲被有效消除，使得較恒星光暗109倍的行星（白色圓圈內(nèi)）清晰可見(jiàn)（右）。
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