|
Приглушение звездного света для обнаружения экзопланет
|
|
|
|
Исследователи разработали новый коронограф — оптическое устройство, которое блокирует свет от яркого источника, — которое может позволить увидеть удаленные экзопланеты, закрытые светом их родительских звезд. Новое устройство может обнаружить экзопланеты за пределами нашей Солнечной системы, которые не могут обнаружить современные телескопы, что позволит получить представление о возможности существования жизни за пределами Земли.
|
|
|
|
"Планеты земного типа в обитаемой зоне — области вокруг звезды, где температура может позволить существование жидкой воды, — могут быть в миллиард раз тусклее, чем их звезда-хозяин", - сказал руководитель исследовательской группы Нико Дешлер из Университета Аризоны.
|
|
|
|
"Это затрудняет их обнаружение, поскольку их слабый свет перекрывается яркостью звезды. Наша новая конструкция коронографа отводит звездный свет, который может затемнить излучение экзопланеты, прежде чем получить изображение".
|
|
|
|
В Optica исследователи показывают, что новый коронограф теоретически может достичь фундаментальных пределов обнаружения и локализации экзопланет, установленных квантовой оптикой. Они также использовали его для получения изображений, которые позволили им оценить положение искусственных экзопланет, удаленных от своей звезды-хозяина в 50 раз меньше, чем обычно позволяет разрешение телескопа.
|
|
|
|
|
|
|
"По сравнению с другими разработками коронографов, наш обещает предоставить больше информации о так называемых субдифракционных экзопланетах - тех, которые находятся ниже пределов разрешения телескопа", - сказал Дешлер. "Это может позволить нам потенциально обнаружить биосигналы и обнаружить присутствие жизни среди звезд".
|
|
|
|
Ослепленный светом
|
|
|
|
Оптический анализ экзопланет представляет собой серьезную проблему, поскольку в астрономических масштабах они часто находятся слишком близко к своей родительской звезде, чтобы их могли различить современные телескопы. Экзопланеты также могут быть на несколько порядков тусклее своей звезды-хозяина. Хотя астрономы разработали различные способы косвенного определения наличия планеты вокруг предполагаемой звезды, идеальным вариантом было бы прямое наблюдение экзопланет на изображениях.
|
|
|
|
Благодаря космическому телескопу нового поколения НАСА "Обсерватория обитаемых миров" (HWO), предназначенному для изучения экзопланет, появилось множество конструкций коронографов, каждая из которых имеет свои практические и теоретические преимущества.
|
|
|
|
В то же время недавняя работа показала, что традиционные представления о разрешающей способности телескопов не отражают фундаментальных ограничений и их можно обойти при тщательной предварительной оптической обработке.
|
|
|
|
Вдохновленные этими разработками, исследователи решили использовать имеющийся в их лаборатории сортировщик пространственных режимов для разработки усовершенствованного коронографа, который теоретически отклоняет весь свет от звезды, находящейся на оси, обеспечивая при этом максимальную пропускную способность экзопланеты, находящейся вне оси.
|
|
|
|
Подобно тому, как фортепианные ноты излучают различные акустические частоты, источники света в пространстве возбуждают различные пространственные моды — уникальные формы и паттерны колебаний — в зависимости от их расположения. Исследователи разделили эти разные режимы, используя сортировщик режимов для выделения и устранения света от звезды и сортировщик обратных режимов для изменения структуры оптического поля после того, как свет звезды был отброшен. Это позволило получить изображение экзопланеты без звезды.
|
|
|
|
"Наш коронограф непосредственно фиксирует изображение экзопланеты, в отличие от измерения только количества света от экзопланеты без какой-либо пространственной ориентации", - сказал Дешлер. "Изображения могут предоставить информацию о контексте и составе, которая может быть использована для определения орбит экзопланет и идентификации других объектов, которые рассеивают свет от звезды, таких как экзозодиакальные пылевые облака".
|
|
|
|
Изображение слабых экзопланет
|
|
|
|
Настроив свой коронограф в лаборатории, исследователи создали искусственную сцену "звезда-экзопланета", в которой экзопланета была расположена достаточно близко к звезде, чтобы ее невозможно было разглядеть с помощью традиционного телескопа. Коэффициент контрастности между звездой и планетой был установлен равным 1000:1.
|
|
|
|
Исследователи отсканировали положение экзопланеты, чтобы смоделировать орбиту, по которой планета проходит перед звездой, а затем попытались определить ее положение на каждом кадре. Изображения, полученные с помощью их экспериментальной установки, оснащенной новым коронографом, позволили им оценить положение экзопланеты при субдифракционном разделении планеты и звезды.
|
|
|
|
Исследователи работают над улучшением сортировщика режимов, чтобы уменьшить перекрестные помехи - тип помех, при котором свет проникает в различные оптические режимы. Для сцен с умеренным уровнем контрастности перекрестные помехи не являются большой проблемой. Однако экстремальные контрасты, обнаруженные в науке об экзопланетах, потребовали бы очень точного определения пространственных режимов, чтобы в достаточной степени изолировать свет от звезды.
|
|
|
|
Исследователи говорят, что этот эксперимент, подтверждающий принцип работы, может вдохновить на дальнейшее изучение оптической предварительной обработки с помощью сортировщиков пространственных режимов в будущих астрономических приборах. Например, методы пространственной фильтрации, которые они использовали, могли бы использоваться в более сложных сценариях, таких как рассмотрение звезд как протяженных объектов, а также могут привести к появлению новых методов визуализации для квантового зондирования, медицинской визуализации и коммуникаций.
|
|
|
|
Источник
|
