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【新华日报】成像探测系外“冷”行星,把星冕仪“搬上天”

  宇宙浩渺,奥妙无限;仰望星空,求索不止。太阳系外行星探测与搜寻地球外的生命息息相关,一直是国际天文学的研究热点。

  中国科学院南京天文光学技术研究所负责的“中国载人空间站巡天空间望远镜系外行星成像星冕仪”科研项目,将首次把星冕仪“搬”到天上去,对类太阳恒星周围“冷”行星进行直接成像探测,为人类寻找系外生命迈出关键一步。目前,该项目已完成两项关键技术攻关,并于2020年10月顺利通过方案研制转初样评审。

  “在探照灯旁寻找微弱的萤火虫”

  “大家处在一个很好的时代——寻找系外生命不再停留在科幻小说和科幻影片里,而是用科学手段来探测适宜人类生命存在的星球。”中科院南京天光所研究员窦江培说。

  据了解,国内外科学家进行系外行星探测,主要用的是间接探测法和直接成像法。相关数据统计,目前已发现4300多颗系外行星,其中绝大多数是通过间接探测法“捕捉”到的。

  所谓间接探测法,是通过探测恒星信号(行星对恒星的扰动产生的变化)来推断行星的存在,如凌星法、视向速度法等。但是间接探测法难以直接获取来自行星的信号,再加之现有技术的局限,至今科学家尚未确认另一个存在生命的星球——地球2。

  直接成像法,则通过系外行星直接成像技术,直接探测行星信号,从而真正地“看到”行星,并研究行星的大气中是否存在生命特征信号。这是未来确认“地球2”的关键。但是,该技术难度极大,目前利用该方法发现的行星只有40多颗。

  “系外行星直接成像探测在技术上非常具有挑战性。”窦江培告诉记者,因为行星光非常弱,而恒星光非常强,通常情况下行星光会被淹没在恒星强光之下,难以被直接探测到。他打了个比方:要探测冷下来的系外行星,相当于“站在南京看位于北京天安门探照灯旁30厘米处的萤火虫”。

  因此,要直接“看到”行星的信号,需要借助高对比度成像星冕仪技术。星冕仪可以通过各种调制技术来抑制恒星强光,在最终像面特定区域内获得高对比度成像,使得暗弱的行星被成像到。

  以中科院南京天光所研制的星冕仪为例,通过对望远镜瞳面光能量进行调制,改变恒星最终图像强度分布,使得目标探测区内的衍射光被有效抑制,行星从而得以直接成像;同时,任何微小的波像差都会在探测区域内产生散斑噪声,同样会影响“冷”行星被成像。对此,要精确修正来自星冕仪自身和望远镜前端每个镜面不理想表面产生的波像差,对上述波像差修正精度均方根值要到千分之几到万分之一波长。

  国际上认为,系外行星的未来探测趋势,将从注重大数量发现转入对行星自身物理性质的全面和精细观测。由于直接成像技术能够获取行星更重要的物理信息,未来空间旗舰任务都将开展系外行星成像和光谱探测。

  立足于探索高对比度星冕仪的新技术方法,窦江培团队已攻坚克难十多年,目前在系外行星超高对比度成像技术和实测领域获得突破性进展,先后入选2009年度和2019年度 “十大天文科技进展”。

  研制首套“便携式”系外行星成像仪

  早在2000年左右,欧美国家就开始提出并发展高对比度成像星冕仪技术。目标是发射仪器到太空搜寻质量更小的类地行星,并研究行星上面的大气成分。当时,有多个大型空间类地行星探测计划问世,如类地行星搜寻计划(Terrestrial Planet Finder,简称TPF)等。

  我国率先开展高对比度星冕仪技术研究的便是窦江培团队,虽然于2007年开始,起步较晚,他们却并没有重复国际上已有的技术路线,而是另辟蹊径,在高对比度成像技术特定领域提出了一系列的创新理念。

  团队提出了有限带光瞳调制新方法,创新地解决了原光瞳调制技术因研制难度过大、精度受限的实际难题;提出了大区域超高对比度成像新方法,首次将液晶空间光调制器用于星冕仪高精度像差校正,将成像探测区域提高数倍,显著提高了空间系外行星探测效率;提出了独特的图像旋转处理技术新方法,将系外行星成像对比度在小角距离处提高一个数量级;并建造了国内首个系外行星超高对比度成像真空实验室仪器,实验成像对比度达到数十亿倍。

  基于上述重要技术积累,团队研制成功世界首套“便携式”系外行星探测系统,与国际4米口径望远镜开展联合观测,观测到系外行星的清晰图像,实现了我国系外行星直接成像探测零的突破。

  一般来说,天文学家只是使用现有的仪器,来获取数据开展科学研究,甚至不需要到天文台站,仅通过观测助手就能完成数据的获取。窦江培团队则需要把自主研制的成像仪器安装到新的望远镜上,既要和望远镜开展精密而复杂的联调、定标和测试,又要对自己的仪器进行很好的标校。

  国际上4米级别望远镜的观测时间竞争是非常激烈的,2014年,团队终于凭实力申请到了欧南台3.6米新技术望远镜的观测时间。“这是大家团队首次将研制的便携式行星成像系统用于国际4米望远镜,也是团队从研制仪器到迈向科学观测的关键一步。”窦江培说,团队为了这次观测做了大量的准备工作,凭借多年的技术积累和团队的共同努力,最终拿到了预期的观测结果。目前,团队研制的地基系外行星成像仪实测成像对比度达到百万倍量级,达到了国际同类仪器相当的水平。

  打开研究“冷”行星大气光谱的窗口

  由于受地面大气影响和现有技术限制,目前科学家在地面观测发现的均为形成中的年轻“热”行星,还不能探测有效温度接近百K的“冷”行星。为了向人类搜寻系外生命更进一步,窦江培团队一直谋划将研制的星冕仪“搬”到天上去。

  2018年4月,中国载人空间站巡天空间望远镜向国内征集新的天文科学载荷,窦江培团队很快提出了对类太阳恒星周围的系外“冷”行星直接成像探测计划——“空间站系外行星成像星冕仪”项目。2019年6月通过立项后,2020年10月,项目已顺利通过方案研制转初样评审。

  与原有载荷相比较,新增的科学载荷立项晚、时间紧、任务重。但整个团队信心十足,因为这一项目背后,凝聚了团队超过十年的技术储备作为支撑。

  最初,团队只有一间空空如也的实验室;后来,逐步建立起国内首个系外行星探测技术实验室和空间类地行星超高对比度成像实验室。最初,研究所自筹科研经费;后来,逐步获得国家自然科学基金多个重点项目、中国载人空间站工程项目、中科院项目基金等上亿经费的资助。最初,团队从摸索十万倍实验成像对比度的新技术新方法开始研究;后来,实现了更大探测区域内高达数十亿倍对比度这一国际先进指标……

  “这些都得益于国家对基础研究领域持续的投入和支撑,得益于研究所对前沿课题的前瞻布局和提前谋划,得益于团队团结协作和不懈的努力。”窦江培说,正是基于十多年的积淀,才获得了空间站科学载荷项目的立项。

  目前,“星冕仪”的上天计划正在有条不紊地进行,它将成为国际首台在类太阳型恒星周围成像探测“冷”行星的科学载荷,有望打开研究“冷”行星大气光谱的窗口,为未来发现“地球2”奠定重要基础,从而推动我国在空间天文、空间高技术领域和行星科学方面处于国际领先地位。

  人类在宇宙中是否孤独?对这一基本问题给出科学回答,是众多天文科学家一生追求的梦想。

  窦江培预测,未来十年,人类有望搜寻围绕类太阳恒星宜居带内的地球质量的行星系统;未来二十年,有望突破类地行星超高对比度成像和后续光谱探测能力限制。“科学家将通过直接成像获取类似地球质量的行星的图像,进而通过光谱分析该类行星大气的成分,判断生命特征信号的存在。一旦确认系外生命信号,将最终挑战‘人类在宇宙中的位置’,即地球不再是宇宙存在生命的中心。”

  本报记者 蔡姝雯

  通讯员 郑 健 高晓敏

    来源:http://xh.xhby.net/pc/layout/202012/23/node_11.html#content_869066

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