挖掘黑洞：日冕成像技术和寻找其他世界的探索

当法国天文学家伯纳德·利奥特（Bernard Lyot）于1939年发明了日冕仪，他发现了一种简单的方法来观察太阳的热气态外层，而不必等待日全食。通过人为地阻挡或抑制进入望远镜的大部分阳光，他可以收集到最感兴趣的数据进行研究。

但是几十年过去了，直到日冕成像技术 - 尽管它很有价值 - 被用来研究比我们最近的恒星更多的。

快进到今天 - 在首次发现系外行星大约三十年后 - 天文学家和光学工程师的骨干正在将Lyot发明的优雅简单带到新的和令人兴奋的极端。凭借日冕仪的先进版本，辅以自适应光学、波前传感和控制以及强大的计算图像处理，他们正在寻找远远超出我们太阳系的世界。他们的最终目标是：在可居住带（我们所知道的生命）中对岩石系外行星进行直接成像，围绕它们环绕的恒星。

关于日冕学和寻找系外行星的几乎所有事情都是极端的，美国太空望远镜科学研究所（STSCI）的系外行星研究员Julien Girard说。“就对比度而言，这是极端的。就技术而言，这是极端的。在地面上，我们称自适应光学为极端自适应光学，因为它基本上是类固醇上的自适应光学。这就像天文学的一级方程式赛车。

“在1990年代后期，[关于日冕成像技术]的论文确实激增，特别是由首次发现使用径向速度的系外行星引发的，”STSCI的Russell B. Makidon光学实验室主任Rémi Soummer说。天文学家发现，当系外行星绕恒星运行时，恒星的径向速度将表现为光谱，首先是蓝色的，然后随着行星的旋转而红移，穿过流向天空中人类眼睛的光路。

一旦知道系外行星可以用径向速度等方法找到，“问题就变成了，我们能制作它们的图像吗？”Soummer说，他在90年代后期开始了他的研究生学习。他的一些早期工作集中在如何使日冕仪更好，他继续为欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT）以及智利安第斯山脉的双子座行星成像仪等项目研究日冕仪。

尽管日冕仪技术已经发展到新的仪器，但概念保持不变。“最基本的日冕仪是一个阻挡星光的物理面具，就像你会把拇指放在太阳前面以免失明一样，”吉拉德解释说。但是从系外行星看到可见光的能力仍然不是那么容易。使用今天的日冕仪，例如詹姆斯韦伯太空望远镜上的日冕仪，行星与其轨道运行的恒星之间可实现的天空对比度约为10-5，在极少数情况下 10–7.未来寻找可居住系外行星的专门任务将需要以数量级取代它。

今天的日冕仪“在望远镜的焦平面上有一个物理面罩，可以阻挡星光，”吉拉德说。“然后我们做我们所谓的瞳孔重新成像[光线进入望远镜的地方]。这就是我们放置另一个面具的地方，我们称之为伯纳德·利奥特之后的Lyot站。该掩模比瞳孔（通常是主镜）略小，没有它，望远镜仍将重新聚焦焦平面中的一些散射光 - 也就是说，仍然会有一些来自恒星的光污染。因此，在最基本的层面上，基本的日冕仪在焦平面上有一个掩模，在瞳孔平面上有一个Lyot停止掩模。

用于系外行星研究的日冕仪是一些最大的地面天文台（如VLT和夏威夷的凯克天文台望远镜）光学仪器的一部分。它们将成为新地面天文台的第一代、第二代或第三代仪器的一部分，如计划在大约十年内上线的ESO超大望远镜。

到目前为止，已经使用各种方法发现了5，000多颗系外行星，包括有和没有日冕成像技术的直接成像。

在未来的许多年里，日冕成像技术将继续对地面和太空天文学具有重要意义。“我们在高对比度成像中所做的一切都是在很小的视野中完成的，”吉拉德说。“我们[从地面仪器]看到的天空只是恒星和一点点。因为他们在宇宙中看得很远，在一个狭窄的领域，在非常特殊的物体上，“例如，我们没有受到光污染或低地球轨道卫星的影响。

更重要的是，他说，“我们需要具有30到40米镜子的地面望远镜[以获得更宽的角度分辨率]，而且我们可能不会发射足够大的望远镜，以便在很长一段时间内从太空进行宜居行星成像。在地面上，可以用与一架太空望远镜相同的资金拥有更多的望远镜，并且“使用更多、更笨重的仪器，您可以同时访问不同的技术，这在太空中更难做到，因为您通常必须提前决定所有事情一次，除非机器人维修是一种选择。

但是，使用太空望远镜进行冠状成像也至关重要，即使在几十年后的天文学家中，天文学家的计划中也有强大的未来。哈勃（HST）和JWST都有日冕仪来寻找系外行星，美国国家航空航天局（NASA）的南希·格雷斯·罗马太空望远镜上将有一个日冕仪测试台仪器，计划于2027年发射。在非常早期的规划阶段，等待的是NASA的宜居世界天文台（HWO），这是一个致力于寻找系外行星的太空望远镜。它将需要大约10的高对比度成像–10在行星和它绕行的恒星之间。这是当今仪器尚无法实现的力量;然而，研究人员对他们正在开辟的道路充满信心。

例如，2.4米罗马太空望远镜上的日冕仪将致力于在可见光下对系外行星进行极高对比度成像，作为用于HWO技术的演示测试。

“作为一个技术演示者，罗马日冕仪旨在达到科学目标，因此这些目标将是10到负九的对比度，而不是JWST，HST或地面望远镜目前正在拍摄的10到负六或七，”美国宇航局喷气推进实验室（JPL）罗马日冕仪团队的研究科学家John Krist说。

焦平面面罩将成为美国宇航局南希·格雷斯·罗马太空望远镜上日冕仪的一部分。图片来源：NASA/JPL-Caltech

对于使用日冕仪进行系外行星成像，“我们对数十皮米量级的波前误差很敏感，”克里斯特说。“相比之下，氢原子的直径是100皮米，所以我们必须对[镜子]进行校正，这些校正的直径是原子直径甚至更小。

天文学家有时将日冕学称为“挖黑洞”。克里斯特解释说：“从恒星周围的光开始，当你通过任何仪器观察时，它都会有一个衍射图案，它会有来自镜子和光学元件以及所有这些东西的抛光误差的散射光。他说，思考这些扭曲的另一种方式是，它们就像太阳透过挡风玻璃发出的眩光，“你正试图在光海中寻找一颗非常微弱的行星。

诀窍是在恒星周围创建一个区域，在那里光海被压制到足以让行星进入视野。随着日冕仪就位，通过可变形的镜子控制波前，“你想在恒星周围创造一个黑洞。你不停地挖“泥土”，直到你得到这个黑暗的洞。这就是我们所说的挖黑洞的意思，“克里斯特说。

Krist解释说，罗曼上的日冕仪不是在恒星图像周围均匀地衍射光，而是将光扩展到某些方向，并通过这样做在恒星周围创建两个暗区。

关于罗曼，克里斯特说：“我们首先使用混合的Lyot日冕仪对恒星周围的磁场进行成像以寻找行星，因为它可以看到恒星周围的360度环。一旦天文学家找到一颗行星，他们就会在混合物中添加一个形状的瞳孔日冕仪。它的视野较小，但由于他们知道行星的位置，因此可以正确定位。形状瞳孔日冕仪可用于通过棱镜引导从行星反射的光，棱镜将其分离成颜色。研究人员说，他们将在被观察的行星上找到生物生命的迹象，如果它存在的话。

当被问及对系外行星成像的追求是否意味着冠状日冕成像的复兴时，克里斯特说，对于恒星日冕成像技术 - 太阳冠状成像是一个单独的领域 - “我们开始寻找恒星周围的尘埃盘，特别是Beta Pictoris。然后我们开始寻找褐矮星。我们首先追逐容易的目标，没有日冕仪就看不到的东西，明亮恒星附近的微弱物质，然后再到达行星。

但他说，使用日冕成像技术系外行星成像的真正关键是用于波前控制的可变形望远镜反射镜的出现。

“直到我们在2000年代初拥有可变形镜子技术，我们可以将计时码表和可变形镜子结合起来，并降低到你可以看到系外行星的对比度水平。

未来太空日冕学的重大新闻事件将是探测另一颗行星大气中的生物生命迹象，JPL的另一位罗马日冕仪项目科学家Marie Ygouf说。她既是一名光学工程师，曾致力于建造超大的望远镜镜子，也是一位天文学家。

她说，寻找可居住的世界将意味着在太空中放置更大、更昂贵的望远镜。“你真的需要一个专门的天文台，在设计时考虑到系外行星成像，”Ygouf说。事实上，像新生的HWO这样的望远镜是天文学界在其最近的十年调查中提出的目标。

罗马望远镜不致力于系外行星成像，在设计时也没有考虑到系外行星的直接成像。“这限制了罗马日冕仪的很多功能，”Ygouf说。日冕仪不会在宜居带寻找岩石行星。相反，它的目标是对所谓的气态巨行星进行成像，这些行星更像木星而不是地球或火星。

但这并不是要淡化天文学家希望通过罗马日冕仪实现的所有目标。“当你有一个能够拍摄系外行星照片的仪器时，它也能够拍摄星周环境的照片。这意味着我们将能够探测到恒星周围的圆盘，这些圆盘是行星构建的组成部分。我们希望与Roman一起，我们可能能够彻底改变星周环境的研究，“Ygouf说。

但是“人们想要做冠冕照相术的真正原因是看到另一个地球，”Soummer说。“这从一开始就是真正的动力。我们能看到其他恒星周围的其他地球吗？我们能探测到生命吗？我们能找到其他像我们这样的类地行星吗？”