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创新性的行星搜索技术克服又一难关

时间:2018-09-13 11:27 来源:未知 作者:admin

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作者:Lori Keesey

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Posted: 2015. 11. 12

编译:Melipal  审校:admin (编译版权所有,未经许可请勿转载)

VNC的光谱灵敏度范围现在有所扩大

一台可能是革命性的仪器现在刚刚度过了又一技术难关,让它成为未来的天体物理学任务更强有力的竞争者。这台正在设计中的仪器目标是首先找到其他行星系中的类地行星,随后研究它们的大气,并辨认出生命产生的化学信号。

布莱恩 希克斯(Brian Hicks)站在最新版本的可见光消零星冕仪前方,它改进了一台可能为系外行星的探测和定性带来突破的仪器在光谱方面的表现。图中可见试验电路板后方的真空室。(图片提供:NASA/W. Hrybyk)

NASA的一名博士后布莱恩 希克斯称,这台名叫可见光消零星冕仪(VNC)的仪器结合了干涉仪与星冕仪技术,这本身就是一个第一。它即将在更宽的光谱范围上(包括紫外、可见光和近红外波段)进行操作演示。希克斯正与VNC的首席研究员、来自马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)NASA戈达德太空飞行中心的科学家里克 利昂(Rick Lyon)与马克 克莱姆平(Mark Clampin)一起工作。

希克斯说: VNC正在论证确定行星性质所需的光谱范围。它将对较暗行星的搜索更为灵敏。它还将使用光谱仪,而为了研究系外行星的大气,辨认出水分、氧气、二氧化碳、甲烷和臭氧(如我们所知,这是与适宜生命存在相关的化学组分),NASA是需要光谱观测的。

当前开普勒望远镜使用间接方法来探测系外行星,未来的詹姆斯 韦布空间望远镜以及凌星系外行星巡天卫星也是如此。

下一个合乎逻辑的步骤就是使用装配有高度复杂的仪器的新一代空间天文台,直接探测行星。这些仪器包括星冕仪,也就是一枚掩星板,它可以阻隔星光,并让望远镜可以直接拍摄暗淡的类地系外行星的影像。

在这张摄于2012年的照片中,里克 利昂(前)、乌达延 马利克(Udayan Mallik,左)与来自西格玛航天公司的彼得 彼特罗恩(Pete Petrone,右)在监测可见光消零星冕仪早期版本的波前控制进展,当时星冕仪是在真空罐中工作的。这个版本的仪器论证了VNC的概念。(图片提供NASA/C. Gunn)

VNC是克莱姆平与利昂在将近6年之前开始开发的,它是从事这项工作的理想工具。它基于光瞳技术,将恒星和行星发出的光线区分开来,这一点与望远镜的多镜面或任意形态镜面(与韦布空间望远镜的核心元件类似)自然兼容。这样的镜面在发射时叠起,随后当望远镜抵达轨道目标之后再度展开。

VNC并没有像更为传统的星冕仪那样,使用内部的掩模或是外部的掩星板来阻隔星光。相反,它依赖于一架双臂干涉仪,将光线分离并再度重组。在这一概念下,望远镜多镜面主镜收集的星光沿VNC的光路来到两台分束器中的第一台。这台分束器将光线透射到一条干涉臂,并反射到另一臂。

光线传播过两条干涉臂之后,遭遇了第二台分束器,它将光线合并到一起,产生了两条分称 明 与 暗 通道的输出路径。星光进入亮通道,而行星辐射进入暗通道。

不过只有使用多镜面阵列(MMA)技术,两个通道的形成才能变成可能。这台设备由163块分立的微小镜面组成,每个镜面宽度大约相当于人的头发丝平均宽度的6倍,它们被放置在微小的手指状元件上方,这些元件让它们可以每秒最多往复或倾斜运动数千次。这些元件被安装在接收反射光的干涉臂内。

MMA的功能是修正误差。它首先感知到波前误差的存在,随后对其进行修正。这样的误差是由振动、尘埃以及热量变化引起的,让主镜收集的明亮星光无法被完全 消零 ,换句话说就是无法在暗通道中被完全抵消掉。

光谱仪与成像仪随后将分析暗通道中的光线,来确定行星的物理特性。

菱面体提供的解决方案

在测试VNC测试平台期间,研究者证明,这一技术可以实现接近10亿比一的对比度,不过只能在可见光光谱中的很窄一个波段实现。利昂说: 这第一个里程碑仍旧是消零星冕仪所达到的最强对比度。它还清楚地证明了使用多镜面主镜消零的技术,这是有一个重要的里程碑。 他又补充说,这样的对比度是由工程师乌达延 马利克与彼得 彼特罗恩实现的,前者帮助设置了控制元件所需的所有计算机接口,后者建造了VNC的硬件和光学系统。

现在小组正在类地行星的探测和定性所需的更宽光谱范围上增加VNC的灵敏度。

小组在两条干涉臂上引入了两对完全相同的棱镜。这些被 挤扁 的高度抛光方块叫做菲涅尔菱面体,可以产生偏振的反射光,这就好像是从车辆或铺路石上反射的阳光进入你的眼中一样。希克斯说: 虽然如果不戴太阳镜开车的话,这样的散射光会减弱对比度,但实际上在VNC中,偏振效应是很有帮助的。

希克斯说: 我们可以利用菱面体带来的偏振效应,让VNC的高对比度星光压制效果在更宽的光谱范围内发挥作用。 他又补充说: 现在我们正在比先前宽40倍的带宽上论证这台仪器。

不过菱面体的增加不仅仅是小组想在新一代任务中囊括的唯一一项新技术。

利昂称,利昂、克莱姆平、希克斯以及小组中的其他成员受到了NASA技术开发经费的赞助,来在真实的多镜面光学测试平台 多镜面干涉消零测试平台(简称SAINT)上演示VNC。这项工作始于10月。

来自戈达德中心的工程师马特 博尔卡(Matt Bolcar)、希克斯与利昂还受到了NASA的额外赞助,来探讨不规则形态光学元件的使用。不规则光学元件是正在兴起的一种光学技术,可以让收集光线的元件以几乎一切形态呈现,可能能够用更小的元件提供更好的成像质量和更大的视场。

利昂说: 不规则光学元件的主要有点是,它们可以降低星载VNC所需的元件数量。最重要的是,它能够改进总处理能力,另外还有其他的好处。通过定制光学元件的形态,我们可能能够实现更宽的视场。

希克斯说: 这些都是显著的提升,当我们设计以系外行星定性作为首要目标之一的未来望远镜时,它们可以让VNC成为改变游戏规则的装置。我们的目标是利用这些改进以及变成可能的技术,让VNC变成更好的选择,获得最大的科学回报。

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(全文完)

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