自從天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星以來(lái)，多年來(lái)一直觀測(cè)到4000多個(gè)系外行星。通常，它們的存在是由于它們對(duì)母恒星的輕微影響而失去的，這大大地使它們耀眼。十年半以來(lái)，科學(xué)家一直試圖直接對(duì)系外行星進(jìn)行成像，但是當(dāng)試圖利用大型地面望遠(yuǎn)鏡時(shí)，地球的大氣層成為主要障礙。

現(xiàn)在，包括圣塔芭芭拉分校的研究人員在內(nèi)的美國(guó)和日本科學(xué)家與工程師組成的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型的系外行星搜尋相機(jī)。該設(shè)備部署在夏威夷州毛納基亞(Maunakea)的斯巴魯望遠(yuǎn)鏡(Subaru Telescope)上，按像素?cái)?shù)計(jì)算是世界上最大的超導(dǎo)相機(jī)，并將在不久的將來(lái)為太陽(yáng)系外行星的直接成像鋪平道路。太平洋天文學(xué)會(huì)出版物上出現(xiàn)的儀器論文向天文學(xué)界宣布了該新裝置。

MKID系外行星相機(jī)(MEC)由研究人員在本·馬津(Ben Mazin)教授的實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)造而成，它使用微波動(dòng)力學(xué)電感檢測(cè)器(MKID)使科學(xué)家能夠直接成像系恒星和明亮恒星周圍的圓盤。該探測(cè)器的運(yùn)行速度為90密耳，幾乎是零，這是第一臺(tái)永久性部署的超導(dǎo)相機(jī)，它在光譜和近紅外光譜范圍內(nèi)工作。

Mazin實(shí)驗(yàn)室的博士生Sarah Steiger說(shuō)：“在系外行星直接成像中，您正在嘗試成像比其母恒星微弱幾百萬(wàn)倍的行星。” “這相當(dāng)于試圖從飛機(jī)上看到一個(gè)螢火蟲(chóng)在一個(gè)燈火通明的足球場(chǎng)旁。

她繼續(xù)說(shuō)：“此外，如果您是從地面進(jìn)行的，則必須從地球的湍流中觀察。” 這種湍流是導(dǎo)致恒星在夜空中閃爍的原因，并且是天文學(xué)家常年頭痛的事情，它們扭曲了圖像并使星光投射在昏暗的系外行星上。

博士生Neelay Fruitwala說(shuō)：“要防止恒星發(fā)出的雜散光完全壓倒地球，這是一場(chǎng)持續(xù)的戰(zhàn)斗。”

現(xiàn)代天文臺(tái)使用自適應(yīng)光學(xué)器件來(lái)校正這些畸變。這些系統(tǒng)依靠快速反饋回路和復(fù)雜的算法，以每秒抵消反射鏡數(shù)千次的方式抵消大氣的影響，使科學(xué)家能夠像望遠(yuǎn)鏡在太空中一樣恢復(fù)圖像。

馬贊說(shuō)：“這些非常復(fù)雜的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)使我們能夠發(fā)現(xiàn)像HR 8799那樣的行星，這是一個(gè)在木星質(zhì)量軌道上方四顆行星的系統(tǒng)。” 但是它們也可以散射光，這會(huì)掩蓋微弱的系外行星。“我們發(fā)現(xiàn)僅靠使用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)只會(huì)發(fā)現(xiàn)我們很少的行星，即那些仍在以其形成的熱量發(fā)光的行星，這在我們恒星附近并不常見(jiàn)。”

在夏威夷毛納基亞山頂?shù)乃拱汪斖h(yuǎn)鏡。圖片來(lái)源：日本國(guó)家天文臺(tái)(NAOJ)

MKID的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于它們能夠確定撞擊探測(cè)器的每個(gè)光子的能量。施泰格說(shuō)：“這不僅使我們能夠確定行星的亮度，而且還可以獲得光譜(亮度是能量的函數(shù))，該光譜可以揭示有關(guān)系外行星特性的其他信息，例如行星的年齡，質(zhì)量和潛在的大氣成分。”

更先進(jìn)的探測(cè)器使用日冕儀，該儀可以遮擋來(lái)自主恒星的某些光，因此科學(xué)家可以更好地識(shí)別從行星自身反射的光。這對(duì)于對(duì)附近的系統(tǒng)進(jìn)行成像非常重要，其中大多數(shù)并不是特別年輕。但是，要從這種設(shè)置中獲得最佳性能，就需要非常好的自適應(yīng)光學(xué)器件。

馬贊說(shuō)：“這些工具現(xiàn)在正在碰壁。” “它們可以將恒星的光線阻擋大約一百萬(wàn)倍，但是問(wèn)題是，大多數(shù)行星比其母恒星更暗淡十億倍。”

與傳統(tǒng)相機(jī)相比，MKID的優(yōu)勢(shì)之一是它們非?？臁teiger解釋說(shuō)，這些檢測(cè)器每秒可以讀出數(shù)千次數(shù)據(jù)，這是跟上自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的速度。通過(guò)與天文臺(tái)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)通信以消除一些散射和衍射的星光，MKID可以進(jìn)一步清理圖像。這就限制了系外行星成像的微弱極限。

MKID系外行星相機(jī)應(yīng)將天文學(xué)家可以直接成像到地球附近的系外行星范圍擴(kuò)大。這是最重要的，因?yàn)槲覀兛梢愿敿?xì)地描述它們的特征，負(fù)責(zé)斯巴魯日冕極致自適應(yīng)光學(xué)(SCExAO)儀器的項(xiàng)目科學(xué)家Olivier Guyon說(shuō)。

最終目標(biāo)是尋找生命的證據(jù)，而MEC是這一旅程中的重要一步。Guyon說(shuō)：“我們將無(wú)法使用Subaru或任何現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡來(lái)做到這一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兲×恕?rdquo; “但是，我們正在為下一步工作做準(zhǔn)備，那就是將系外行星成像相機(jī)部署在大型望遠(yuǎn)鏡上，例如三十米望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)這些望遠(yuǎn)鏡投入使用時(shí)，相同的技術(shù)，相同的相機(jī)，相同的技巧將使我們能夠真正尋找生命。”

也就是說(shuō)，還有很多工作要做，主要是關(guān)于MEC的軟件和算法。該團(tuán)隊(duì)獲得了海辛-西蒙斯基金會(huì)(Heising-Simons Foundation)的一筆巨款，以解決這一問(wèn)題并在未來(lái)幾年內(nèi)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)快速光學(xué)校正。馬贊說(shuō)：“我們?yōu)榇烁冻隽怂械陌褢?，我們也在開(kāi)發(fā)新的把戲。”

作者們承認(rèn)毛納基亞(Maunakea)峰會(huì)在夏威夷社區(qū)內(nèi)所發(fā)揮的重要文化作用和崇敬精神，并說(shuō)他們很幸運(yùn)有機(jī)會(huì)在這座山上進(jìn)行觀測(cè)。