|
Разработка фазовых масок для обнаружения обитаемых миров
|
|
|
|
Команда исследователей НАСА разрабатывает новые типы оптических масок, которые могли бы помочь на много порядков подавить звездный свет, необходимый для будущих космических обсерваторий, чтобы выделять очень слабые пригодные для жизни экзопланеты из гораздо более яркого сияния их звездных хозяев.
|
|
|
|
Одной из целей отдела астрофизики НАСА является проведение переписи близлежащих солнечных систем для поиска пригодных для жизни миров вокруг близлежащих звезд и, в конечном счете, для определения того, может ли существовать жизнь за пределами нашей собственной солнечной системы. Поскольку другие звезды находятся так далеко, мы должны полагаться на дистанционные наблюдения за этими системами и, в частности, на спектроскопию любых присутствующих планет (то есть на изучение их цветовых характеристик для определения характеристик атмосферы). Миссия НАСА "Обсерватория будущих обитаемых миров" (HWO) станет первым телескопом, разработанным специально для поиска признаков жизни на планетах, вращающихся вокруг других звезд.
|
|
|
|
За последние пару десятилетий был достигнут значительный прогресс в наблюдении за самыми яркими и часто самыми крупными экзопланетами, особенно теми, которые проходят перед своими звездами, что позволяет нам видеть составляющие атмосферы планеты, которые поглощают определенные цвета света звезды-хозяина. Однако большинство экзопланет расположены не столь благоприятно; чтобы обнаружить их, человек должен уметь отличать очень малую часть света, исходящего от экзопланеты, от подавляющего сияния очень яркой ближайшей звезды-хозяина. Например, планета, похожая на Землю, вращающаяся вокруг звезды, подобной нашему Солнцу, была бы всего лишь на 10 миллиардных ярче своей звезды-хозяина. Подходящая аналогия - это свет от светлячка, летящего рядом с маяком.
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы увидеть слабые, потенциально пригодные для жизни миры в близлежащих солнечных системах, мы должны уменьшить излучение звезд до такой степени, чтобы можно было различить гораздо меньшую часть света, исходящего от экзопланеты. К сожалению, телескопы не позволяют получить идеальные точечные изображения звезд. Два сопутствующих фактора — рассеяние и дифракция — размывают и распределяют звездный свет по той области изображения, где, вероятно, можно обнаружить экзопланеты.
|
|
|
|
Рассеяние звездного света вызвано неровностями поверхности зеркал, составляющих оптическую систему телескопа. Эти неровности могут быть устранены с помощью высокопроизводительной адаптивной оптической системы для коррекции ошибок волнового фронта. Но даже при идеально скорректированной оптической системе дифракция также должна быть уменьшена.
|
|
|
|
Дифракция - это угловое распространение светового луча (или любого типа волны, включая волны воды или звуковые волны), возникающее при прохождении волны через отверстие, такое как светособирающее зеркало телескопа. Дифракция приводит к тому, что свет звезды распространяется по фокальной плоскости, образуя кольцевидное распределение света, называемое узором Эйри. Поскольку этот узор Эйри может быть во много раз ярче, чем свет, излучаемый экзопланетой, его также необходимо удалить.
|
|
|
|
Подавление колец узора Эйри обычно выполняется с помощью оптического прибора, известного как коронограф. Коронограф был изобретен столетие назад, чтобы позволить астрономам видеть слабую солнечную корону, которая окружает Солнце. Примененный к другим звездам коронограф может позволить нам увидеть слабые экзопланеты рядом с их гораздо более яркими звездами.
|
|
|
|
Основным компонентом большинства коронографов является оптическая маска — небольшой кусочек стекла со специальным покрытием или формой поверхности, который предназначен для избирательного ослабления или задержки распределения света, составляющего изображение звезд. Одним из особенно перспективных типов оптической маски является оптическая вихревая фазовая маска, которая применяет фазовую задержку, увеличивающуюся пропорционально азимутальному углу вокруг центра маски. При центрировании по звездной схеме Эйри, маска, таким образом, применяет задержки, которые увеличиваются вдоль колец Эйри.
|
|
|
|
Эта схема задержки, которая в некоторой степени аналогична спиральной поверхности винтовой резьбы, приводит к тому, что звездный свет создает разрушительные помехи таким образом, что при повторном отображении апертуры телескопа за вихревой маской внутри изображения апертуры не остается звездного света. Вместо этого звездный свет виден только за пределами того места, где ожидается изображение с заполненной апертурой телескопа, где его можно легко заблокировать простым ограничителем диафрагмы, как это используется в фотографии. Поскольку свет от экзопланеты обычно попадает на вихревую маску не по центру, он без изменений проходит через ограничитель диафрагмы и достигает детектора, где его можно успешно сфотографировать.
|
|
|
|
Изготовление вихревых масок является сложной задачей, поскольку они должны быть способны одновременно отражать свет звезд в широком диапазоне длин волн. Команда технологов из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) изучает ряд различных технологий, которые могут быть использованы для создания оптических вихревых масок с желаемыми характеристиками.
|
|
|
|
На сегодняшний день наиболее перспективным подходом является использование плоского слоя специально приготовленного жидкокристаллического полимера (LCP) для обеспечения требуемой структуры оптической задержки. Длинные молекулярные полимерные цепочки, составляющие слой LCP, могут быть специально ориентированы таким образом, чтобы вызывать различные задержки в двух направлениях поляризации света. (Поляризация относится к направлению колебания вектора электрического поля в распространяющейся световой волне, т.е. к направлению движения вверх-вниз или влево-вправо.) В зависимости от того, лежит ли вектор электрического поля вдоль или перпендикулярно длинной оси LCP, свет испытывает различные задержки.
|
|
|
|
Более того, если слой LCP укладывается таким образом, что длинная ось LCP вращается, следуя круговой траектории вокруг центра маски (достигая кратного полного оборота молекулы по полному кругу вокруг центра), может быть достигнута желаемая схема задержки. Основное преимущество таких масок заключается в том, что, поскольку их фазовые задержки индуцируются геометрически (т.е. чисто геометрической схемой ориентации), они не зависят от длины волны до первого порядка и могут отклонять звездный свет в широком диапазоне длин волн.
|
|
|
|
Команда JPL недавно усовершенствовала эти маски до такой степени, что свет от искусственной "звезды" может быть отклонен в лабораторных условиях примерно на одну миллиардную долю (при одноволновом отклонении еще лучше), что примерно на порядок превышает конечную величину в 10 миллиардов к миллиарду.для проведения HWO требовалось одно отклонение. В настоящее время команда работает над дальнейшими усовершенствованиями маски, чтобы достичь этого последнего десятикратного показателя.
|
|
|
|
В то же время команда также изучает альтернативные подходы к изготовлению масок с различными преимуществами и недостатками. В частности, они пересмотрели идею придания поверхности куска стекла формы, напоминающей спиральный поворот винта. Однако такая конструкция будет работать на нескольких длинах волн только в том случае, если объединить несколько разных кусков стекла, каждый из которых имеет свою высоту завинчивания, и если также будут реализованы дополнительные изменения формы поверхности. Более того, поскольку лишь довольно небольшое количество материалов, по-видимому, обладает характеристиками, необходимыми для такой конструкции, пока не ясно, какой конечной производительности можно достичь с помощью этого метода.
|
|
|
|
В результате команда также изучает возможность изготовления собственных искусственных материалов (т.е. метаматериалов) для использования в таких масках. Метаматериалы - это тонкие слои крошечных наностержней, в которых высота, ширина, форма и расстояние между наностержнями могут быть подобраны таким образом, чтобы создать свойства материала, которых не существует в природе. Хотя этот подход является очень новым, вполне возможно, что он может быть использован для создания материалов, обладающих характеристиками, необходимыми для работы оптических вихревых масок в широком диапазоне длин волн.
|
|
|
|
Оптические вихревые коронографы становятся все более популярными при поиске более крупных (ярких) экзопланет с помощью наземных телескопов, но для наблюдения более тусклых экзопланет земного типа с помощью космического телескопа, такого как HWO, потребуются вихревые маски со значительно улучшенными возможностями подавления звездного света. Несмотря на то, что использование жидкокристаллических полимеров является явным лидером, такие маски также имеют свои ограничения, поэтому хорошо, что изучаются другие возможности. Эти технологии-кандидаты будут полностью проверены и протестированы в течение следующих нескольких лет, чтобы сделать возможным изготовление оптических вихревых масок, необходимых для обнаружения и характеристики близлежащих экзопланет земного типа с помощью HWO.
|
|
|
|
Источник
|
