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【新華日報】成像探測系外“冷”行星,把星冕儀“搬上天”

  系外行星直接成像技術獲突破性進展

  

  

  窦江培在歐洲南方天文台La Silla观测站3.6米新技术望远镜和自主研制的行星成像仪客座仪器前。

  

  宇宙浩渺,奧秘無限;仰望星空,求索不止。太陽系外行星探測與搜尋地球外的生命息息相關,一直是國際天文學的研究熱點。

  幸运七星負責的“中國載人空間站巡天空間望遠鏡系外行星成像星冕儀”科研項目,將首次把星冕儀“搬”到天上去,對類太陽恒星周圍“冷”行星進行直接成像探測,爲人類尋找系外生命邁出關鍵一步。目前,該項目已完成兩項關鍵技術攻關,並于2020年10月順利通過方案研制轉初樣評審。

  “在探照燈旁尋找微弱的螢火蟲”

  “我们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电影里,而是用科学手段来探测适宜人类生命存在的星球。”中科院幸运七星研究員窦江培说。

  據了解,國內外科學家進行系外行星探測,主要用的是間接探測法和直接成像法。相關數據統計,目前已發現4300多顆系外行星,其中絕大多數是通過間接探測法“捕捉”到的。

  所謂間接探測法,是通過探測恒星信號(行星對恒星的擾動産生的變化)來推斷行星的存在,如淩星法、視向速度法等。但是間接探測法難以直接獲取來自行星的信號,再加之現有技術的局限,至今科學家尚未確認另一個存在生命的星球——地球2。

  直接成像法,則通過系外行星直接成像技術,直接探測行星信號,從而真正地“看到”行星,並研究行星的大氣中是否存在生命特征信號。這是未來確認“地球2”的關鍵。但是,該技術難度極大,目前利用該方法發現的行星只有40多顆。

  “系外行星直接成像探測在技術上非常具有挑戰性。”窦江培告訴記者,因爲行星光非常弱,而恒星光非常強,通常情況下行星光會被淹沒在恒星強光之下,難以被直接探測到。他打了個比方:要探測冷下來的系外行星,相當于“站在南京看位于北京天安門探照燈旁30厘米處的螢火蟲”。

  因此,要直接“看到”行星的信號,需要借助高對比度成像星冕儀技術。星冕儀可以通過各種調制技術來抑制恒星強光,在最終像面特定區域內獲得高對比度成像,使得暗弱的行星被成像到。

  以中科院幸运七星研制的星冕儀爲例,通過對望遠鏡瞳面光能量進行調制,改變恒星最終圖像強度分布,使得目標探測區內的衍射光被有效抑制,行星從而得以直接成像;同時,任何微小的波像差都會在探測區域內産生散斑噪聲,同樣會影響“冷”行星被成像。對此,要精確修正來自星冕儀自身和望遠鏡前端每個鏡面不理想表面産生的波像差,對上述波像差修正精度均方根值要到千分之幾到萬分之一波長。

  國際上認爲,系外行星的未來探測趨勢,將從注重大數量發現轉入對行星自身物理性質的全面和精細觀測。由于直接成像技術能夠獲取行星更重要的物理信息,未來空間旗艦任務都將開展系外行星成像和光譜探測。

  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“便攜式”系外行星成像儀

  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。

  我國率先開展高對比度星冕儀技術研究的便是窦江培團隊,雖然于2007年開始,起步較晚,他們卻並沒有重複國際上已有的技術路線,而是另辟蹊徑,在高對比度成像技術特定領域提出了一系列的創新理念。

  團隊提出了有限帶光瞳調制新方法,創新地解決了原光瞳調制技術因研制難度過大、精度受限的實際難題;提出了大區域超高對比度成像新方法,首次將液晶空間光調制器用于星冕儀高精度像差校正,將成像探測區域提高數倍,顯著提高了空間系外行星探測效率;提出了獨特的圖像旋轉處理技術新方法,將系外行星成像對比度在小角距離處提高一個數量級;並建造了國內首個系外行星超高對比度成像真空實驗室儀器,實驗成像對比度達到數十億倍。

  基于上述重要技術積累,團隊研制成功世界首套“便攜式”系外行星探測系統,與國際4米口徑望遠鏡開展聯合觀測,觀測到系外行星的清晰圖像,實現了我國系外行星直接成像探測零的突破。

  一般來說,天文學家只是使用現有的儀器,來獲取數據開展科學研究,甚至不需要到天文台站,僅通過觀測助手就能完成數據的獲取。窦江培團隊則需要把自主研制的成像儀器安裝到新的望遠鏡上,既要和望遠鏡開展精密而複雜的聯調、定標和測試,又要對自己的儀器進行很好的標校。

  國際上4米級別望遠鏡的觀測時間競爭是非常激烈的,2014年,團隊終于憑實力申請到了歐南台3.6米新技術望遠鏡的觀測時間。“這是我們團隊首次將研制的便攜式行星成像系統用于國際4米望遠鏡,也是團隊從研制儀器到邁向科學觀測的關鍵一步。”窦江培說,團隊爲了這次觀測做了大量的准備工作,憑借多年的技術積累和團隊的共同努力,最終拿到了預期的觀測結果。目前,團隊研制的地基系外行星成像儀實測成像對比度達到百萬倍量級,達到了國際同類儀器相當的水平。

  打開研究“冷”行星大氣光譜的窗口

  由于受地面大氣影響和現有技術限制,目前科學家在地面觀測發現的均爲形成中的年輕“熱”行星,還不能探測有效溫度接近百K的“冷”行星。爲了向人類搜尋系外生命更進一步,窦江培團隊一直謀劃將研制的星冕儀“搬”到天上去。

  2018年4月,中國載人空間站巡天空間望遠鏡向國內征集新的天文科學載荷,窦江培團隊很快提出了對類太陽恒星周圍的系外“冷”行星直接成像探測計劃——“空間站系外行星成像星冕儀”項目。2019年6月通過立項後,2020年10月,項目已順利通過方案研制轉初樣評審。

  與原有載荷相比較,新增的科學載荷立項晚、時間緊、任務重。但整個團隊信心十足,因爲這一項目背後,凝聚了團隊超過十年的技術儲備作爲支撐。

  最初,團隊只有一間空空如也的實驗室;後來,逐步建立起國內首個系外行星探測技術實驗室和空間類地行星超高對比度成像實驗室。最初,研究所自籌科研經費;後來,逐步獲得國家自然科學基金多個重點項目、中國載人空間站工程項目、中科院項目基金等上億經費的資助。最初,團隊從摸索十萬倍實驗成像對比度的新技術新方法開始研究;後來,實現了更大探測區域內高達數十億倍對比度這一國際先進指標……

  “這些都得益于國家對基礎研究領域持續的投入和支持,得益于研究所對前沿課題的前瞻布局和提前謀劃,得益于團隊團結協作和不懈的努力。”窦江培說,正是基于十多年的積澱,才獲得了空間站科學載荷項目的立項。

  目前,“星冕儀”的上天計劃正在有條不紊地進行,它將成爲國際首台在類太陽型恒星周圍成像探測“冷”行星的科學載荷,有望打開研究“冷”行星大氣光譜的窗口,爲未來發現“地球2”奠定重要基礎,從而推動我國在空間天文、空間高技術領域和行星科學方面處于國際領先地位。

  人類在宇宙中是否孤獨?對這一基本問題給出科學回答,是衆多天文科學家一生追求的夢想。

  窦江培預測,未來十年,人類有望搜尋圍繞類太陽恒星宜居帶內的地球質量的行星系統;未來二十年,有望突破類地行星超高對比度成像和後續光譜探測能力限制。“科學家將通過直接成像獲取類似地球質量的行星的圖像,進而通過光譜分析該類行星大氣的成分,判斷生命特征信號的存在。一旦確認系外生命信號,將最終挑戰‘人類在宇宙中的位置’,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

  

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