基于光频梳定标的新型共光路DFDI类地行星探测方法研究

The detection for Earth-like exoplanets plays significant roles both in the advancement of planetary sciences and in answering fundamental science questions of human beings. This project is to propose a novel Dispersed Fixed Delay Interferometer (DFDI) based on the theory and method of Radial Velocity introduced by the Doppler shift effect, in order to study the detection of Earth-like exoplanets in the near-infrared spectral bands. This DFDI is built on a spectral calibration method using astro-comb and an improved common-path Sagnac interferometer. We plan to establish a simulation model for the global detection system, to design a high precision algorithm to retrieve the radial velocity, and to research on methods for high precision detection. The method of utilizing astro-comb for spectral calibration in the instrument other than the traditional Iodine absorption spectral lines is able to improve the precision of instrumental calibration essentially. The use of a common-path interferometer to replace the traditional non-common-path Michelson interferometer is capable of improving the instrumental stability. This novel DFDI method has advantages of perfect stability, high throughput and relatively low requirement on the control of the thermal and force transforms. Thus it is apt to be used for observing relatively faint stars in the near-infrared, and has the potential of multi-object observation. The research of this project is possible to make contributions to the developments of the theory and method of high precision exoplanet detection technology and the field of planetary sciences.

太阳系外类地行星的探测对行星科学领域的发展和解答人类所面临的基础科学问题有重要的意义。本项目拟采用基于多普勒频移效应的视向速度方法和理论，提出基于天文光学频率梳的光谱定标法和改进的共光路型Sagnac干涉仪的新型色散固定延迟干涉仪（DFDI）技术，针对近红外波段探测类地行星问题进行研究。建立探测系统链路仿真模型，设计视向速度高精度反演算法，研究实现高精度探测的方法。采用天文频率梳替代传统DFDI技术中的碘吸收谱线进行光谱定标，从根本上提高仪器定标精度；采用共光路型干涉仪，替代传统的非共光路型迈克尔逊干涉仪，克服热力学变形和外界干扰，以提高仪器稳定性。该方法具有稳定性好、能量利用率高和热力学控制要求较低等优点，可用于近红外较暗弱的恒星目标观测，且具有多目标同时观测的潜力。通过本项目的研究，可望为系外行星高精度探测技术的理论和方法，以及行星科学等领域的发展做出贡献。

本项目研究面向寻求“人类在宇宙中是孤独的吗”这一基本科学问题答案的大背景。在国际上，系外行星探索近些年一直处于天文学研究前沿，其中有两位科学家获得了2019年诺贝尔物理学奖。.本项目的研究目的是为探索新的太阳系外行星探测技术，为在近红外波段探测K/M型矮星周围宜居/类地行星提供有效的技术和方法。项目达到了预期研究目标，圆满实现了预期研究成果，尽管进展偶有不顺，但主要问题通过项目组成员的努力、业内科学家和工程师的帮助都逐步得到了解决。项目研究了新型共光路型DFDI（简称CODES）探测系外宜居/类地行星的技术，建立了仿真模型，设计了基于相位拟合法和傅里叶变换的视向速度反演算法，研究了以天文光学频率梳作为光谱定标源的近红外波段系统定标方案，在实验室建立了以激光和白光（卤钨灯）为模拟源的CODES探测系外行星多普勒模拟平台，并对实验数据进行了成功处理，验证了技术方案和反演算法。项目目前研究主要成果发表在PASP、JIST、《光谱学与光谱分析》、《光子学报》等国内外学术期刊上。.项目在技术原理上的研究比较令人满意，除独立提出了CODES探测技术方案，还提出了基于CODES的偏振探测技术方案，以得到更锐利的干涉条纹，便于干涉相位的提取；提出了基于光栅、棱镜和分色片的谱段增宽方案，以同时实现宽光谱范围、高光谱分辨率和平像场等。通过建立的多普勒模拟装置取得了重要结果。在激光多普勒实验中，在转盘分别以+1500转/分和-1500转/分的转速下模拟视向速度，反演后的视向速度平均绝对误差为0.3m/s，均方根误差（RMSE）和标准差（STD）分别为21.3m/s和21.4m/s。实验结果令人满意，证明了CODES技术方案的可行性和优势，表明了所设计的实验装置和反演算法等技术路线的可行性。该成果发布在国际知名天文期刊PASP上，审稿人给予了积极评价，认为是“a significant practical advance”。.研究表明了CODES技术在太阳系外宜居/类地行星探测方面很有潜力，天文光梳定标方案在技术上也是可行的。有必要围绕该技术开展更深入研究，推动应用，以更好地服务相关科学研究。