Forskere har udviklet et nyt koronafsnit – en optisk enhed, der blokerer for lys fra en lys kilde – som kunne gøre det muligt at se fjerne eksoplaneter skjult af lys fra deres moderselskaber. Den nye enhed kunne afsløre eksoplaneter ud over vores solsystem, som dagens teleskoper ikke kan løse, hvilket giver indsigt i muligheden for liv ud over Jorden.
“Jordlignende planeter i den beboelige zone-regionen omkring en stjerne, hvor temperaturerne kunne give flydende vand mulighed for at eksistere-kan let være op til en milliard gange svagere end deres værtsstjerne,” sagde forskningsteamleder Nico Deshler fra University of Arizona.
“Dette gør dem vanskelige at opdage, fordi deres svage lys er overvældet af stjernens lysstyrke. Vores nye Coronagraph -design sifoner væk stjernelys, der muligvis kan skjule exoplanet -lys, før vi fanger et billede.”
I Optica, Forskerne viser, at det nye koronafsnit teoretisk kan opnå de grundlæggende grænser for exoplanetdetektion og lokalisering, der er indstillet af Quantum Optics. De brugte det også til at fange billeder, der gjorde det muligt for dem at estimere placeringen af kunstige eksoplaneter med afstande fra deres værtsstjerne op til 50 gange mindre end hvad teleskopets opløsningsgrænse normalt ville tillade.
“Sammenlignet med andre Coronagraph-design lover vores at give mere information om såkaldte under-diffraktionseksoplaneter-dem, der ligger under opløsningens grænser for teleskopet,” sagde Deshler. “Dette kan give os mulighed for potentielt at opdage biosignaturer og opdage tilstedeværelsen af livet blandt stjernerne.”
Blindet af lyset
Optisk analyse af eksoplaneter udgør en formidabel udfordring, fordi de i astronomiske skalaer ofte er for tæt på deres modersjerne til at få nuværende teleskoper til at løse. Eksoplaneter kan også være størrelsesordningsdimmer end deres værtsstjerne. Selvom astronomer har udviklet forskellige måder at indirekte udlede tilstedeværelsen af en planet omkring en potentiel stjerne, ville det direkte observere eksoplaneter i billeder være ideelle.
Med NASAs næste generations rumteleskop, det beboelige Worlds Observatory (HWO), der er dedikeret til exoplanet-videnskab, er mange koronafsnitt design dukket op, hver med forskellige praktiske og teoretiske resultater.
På samme tid har det nylige arbejde vist, at traditionelle forestillinger om opløsning for teleskoper ikke afspejler grundlæggende grænser og kan omgås med omhyggelig optisk forbehandling.
Inspireret af disse udviklinger besluttede forskerne at bruge en rumlig tilstandssortering tilgængelig i deres laboratorium til at udvikle et forbedret koronafsnit, der teoretisk afviser alt lyset fra en stjerne på aksen, mens de opnåede maksimalt gennemstrømning af et off-akse exoplanet.
Ligesom klavernotater udsender forskellige akustiske frekvenser, lyskilder i rummet ophidser forskellige rumlige tilstande – ikke -former og svingningsmønstre – som er afhængige af deres position. Forskerne adskilte disse forskellige tilstande ved hjælp af en mode -sortering til at isolere og eliminere lys fra en stjerne og en inverse mode -sortering til at genopbygge det optiske felt, efter at stjernelyset er afvist. Dette gjorde det muligt at fange et billede af eksoplaneten uden stjernen.
“Vores koronafsnit fanger direkte et billede af eksoplaneten i modsætning til at måle kun mængden af lys fra exoplanet uden nogen rumlig orientering,” sagde Deshler. “Billeder kan give kontekst- og kompositionsoplysninger, der kan bruges til at bestemme exoplanet -kredsløb og identificere andre genstande, der spreder lys fra en stjerne, såsom eksozodiacale støvskyer.”
Imaging svage eksoplaneter
Efter at have konfigureret deres koronafsnit i laboratoriet konstruerede forskerne en kunstig stjerne-exoplanet-scene, hvor exoplanet var placeret tæt nok på stjernen til at være uopløselig med et traditionelt teleskop. Kontrastforholdet mellem stjernen og planeten blev indstillet til 1000: 1.
Forskerne scannede eksoplanetens position for at simulere en bane, hvor planeten krydser foran stjernen og forsøgte derefter at bestemme sin position i hver ramme. De billeder, der er fanget med deres eksperimentelle opsætning, der inkorporerede de nye koronafsnit, gjorde det muligt for dem at estimere exoplanetens placering på separet-stjernesparationer under diffraktion.
Forskerne arbejder på at forbedre tilstandens sortering for at reducere krydstale, en type interferens, hvor lys lækker på tværs af forskellige optiske tilstande. For scener med moderate kontrastniveauer er krydstale ikke særlig problematisk. Imidlertid ville de ekstreme kontraster, der findes i exoplanet-videnskab, kræve en meget spatial mode-tilstand med høj tro til tilstrækkeligt at isolere lys fra stjernen.
Forskerne siger, at dette proof-of-princip-eksperiment kunne inspirere til yderligere udforskning af optisk forbehandling med rumlige tilstandssorterere i fremtidig astronomisk instrumentering. F.eks. Kunne de rumlige mode -filtreringsmetoder, de brugte, adressere mere komplekse scenarier, såsom behandling af stjerner som udvidede objekter, og kan også føre til nye billeddannelsesmetoder til kvantensføling, medicinsk billeddannelse og kommunikation.