太阳系外行星地面高对比度成像实验系统研究

对太阳系外行星进行直接成像有着重要的天体物理学意义。通过直接成像可精确测量行星的物理参数，有助于加深对行星系统本质的理解。对系外行星进行直接成像的挑战性在于行星与主星辐射对比度相差悬殊，行星将被淹没在恒星强背景光下而无法被探测。而在近红外波段对类木行星进行成像，仅要求星冕仪提供10的负6次方的成像对比度，可以基于地面望远镜实现。然而，现有望远镜自身副镜及支撑结构造成的遮挡会对系统引入额外衍射，使得在研的星冕仪系统不适于地面成像。对此，该项目通过针对地面望远镜光瞳特点，在实验室研发适用的圆对称透过率调制星冕仪，目标成像对比度在近红外波段达到10的负6。为进一步解决星冕仪普遍存在的散斑噪声问题，该项目将在实验室内研发一套偏振式图像处理系统，以期将成像对比度进一步提高100倍。该系统的成功研发能为即将开展的系外行星地面成像做好技术准备，有望使我国用于系外行星高对比度成像的星冕仪处于国际领先水平。

太阳系外行星搜寻是当今国际天文学研究热点课题。对系外行星进行直接成像观测具有重要的天体物理意义。其中，通过直接捕获来自类地行星的光子信号，进而能够对其大气环境做光谱分析，研究其化学元素组成，以确认生命信号的存在。从而能够解答“人类在宇宙中是否孤立？”这一基本科学问题。因此，该领域的研究具有较普遍的公众关注度。.太阳系外行星地面高对比度成像实验系统研究项目主要针对制约系外行星成像的两大技术难题开展研究，即试图解决由望远镜孔径衍射引入的衍射光子噪声和系统波前畸变引入的散斑噪声问题。该项目已完成了项目计划书中提出的各项技术指标。目前，已经建立了我国第一个用于太阳系外行星近红外天文成像关键技术实验平台。基于该实验平台，开展了高对比度成像星冕仪实验系统的研发工作，并获得了理想的实验结果，使我国高对比度成像星冕仪实验水平与国际同类研究小组相当。项目执行期间取得的重要进展包括：1）完成了有限带透过率调制光瞳系统研究，包括系统理论方案设计和实验系统可行性验证工作。2）自主设计研制出了多套高质量151带透过率渐变调制滤光器，初步解决了恒星经望远镜孔径产生的衍射问题，可见光和近红外波段实验系统成像对比度在4 λ/D处达到10的-6，从而为实现年轻的大质量行星的地基天文成像观测和研究提供了可能。3） 为进一步解决由系统光学元件不理想表面引入的静态散斑噪声问题，该项目在实验室内初步研发出一套偏振式图像处理系统：成功解决了渥拉斯顿棱镜两分光臂图像间的畸变问题，并通过引入液晶可变相位延迟器进行图像二次相减处理，进一步消除了两个偏振臂间的残余噪声，将系统原有成像对比度提高50倍以上，最终成像对比度达到10的-8。上述系统的研究结果将有望用于正在开展的系外行星天文成像实测研究中。.此外，基于国际近期研究进展，该项目组近期提出的系外行星数据处理算法已发表在天文著名期刊ApJ。结合现有观测数据，首次在国内处理出了HR8799已知的4颗系外行星图像；结合项目组在加法夏望远镜实测数据，拍摄到了HR8799c的图像；同时，采用项目组实测数据成功观测到白矮星Sirius B的图像，对比度达到10的-4。上述结果表明了项目组已具备开展系外行星成像的能力。