Физики из МФТИ и ИКИ РАН разработали оптическую технологию «исправления» света от далеких звёзд, которая позволит значительно улучшить «зрение» телескопов и напрямую наблюдать экзопланеты, сопоставимые по размерам с Землей. Работа была опубликована в Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems.
Лабораторное моделирование точного наведения коронографа на звезду и погашения звездного света: А – в плоскости зрачка; В – в плоскоти изображения. Зеленый лазер (532 нм) моделирует звезду, красный (633 нм) – планету.
Первые экзопланеты — планеты за пределами Солнечной системы — были обнаружены в конце 20 века, а сейчас их известно более двух тысяч. Увидеть без специальных инструментов слабый свет самих планет практически невозможно — его “затмевает” излучение звёзд. Поэтому экзопланеты находят косвенными методами: фиксируя слабые периодические колебания светимости звезды при прохождении планеты перед её диском (транзитный метод), или же поступательные колебания самой звезды под действием притяжения планеты (метод лучевых скоростей). Только в конце 2000-х годов астрономы впервые смогли напрямую получить снимки экзопланет, сейчас их известно лишь 65. Для таких съемок используются коронографы, впервые созданные в 1930-х годах для наблюдений солнечной короны вне затмений. Внутри у этих устройств есть “искусственная луна”, которая экранирует часть поля зрения, например, закрывает солнечный диск, позволяя видеть тусклую солнечную корону.
Для того, чтобы повторить это со звездой требуется значительно более высокий уровень точности и значительно более высокое разрешение самого телескопа, на котором установлен коронограф. Видимый размер ближайших к нам планет подобных Земле у составляет порядка 0,1 угловых секунд, это близко к пределу разрешения современных космических телескопов (например, разрешение космического телескопа “Хаббл” — около 0,05 секунд). В наземных телескопах для того, чтобы убрать влияние атмосферных искажений, используется адаптивная оптика — зеркала, способные менять форму, подстраиваясь под состояние атмосферы. В некоторых случаях форма зеркала может выдерживаться с точностью до 1 нанометра, но подобные системы не успевают за динамикой атмосферных изменений и стоят крайне дорого.
Группа под руководством Александра Таврова, доцента МФТИ и заведующего лабораторией Планетной астрономии ИКИ РАН, нашла способ обойтись относительно простыми и недорогими системами адаптивной оптики, получив при этом высочайшее разрешение.
Они использовали идею существенно несбалансированного интерферометра (Extremely Unbalanced Interferometer, EUI), предложенную одним из авторов статьи, японцем Джуном Нисикавой из Японской Национальной Астрономической Обсерватории. Обычная интерферометрия подразумевает сложение волн с приблизительно равной интенсивностью для получения чёткого и контрастного изображения. В EUI свет делится на два луча (сильный и слабый), амплитуды которых относятся примерно как 1:10. Слабый луч проходит через систему адаптивной оптики, после чего оба луча снова сводятся вместе и интерферируют друг с другом. В результате слабый луч как бы “разглаживает” свет сильного, что позволяет существенно уменьшить искажения формы волнового фронта, уменьшить вклад спеклов (случайной интерференционной картины).
«Благодаря использованию сравнительно простой оптической схемы мы можем получать необходимый для коронографов контраст изображения для прямого наблюдения планет земного типа. Конечно, по сравнению с зарубежными разработками наша система требует более сложной системы управления, но вместе с тем она гораздо меньше зависит от показателей температурной стабильности, что существенно упрощает её эксплуатацию в космосе», — комментирует Александр Тавров, руководитель работы.
С помощью компьютерного моделирования были установлены приблизительные характеристики разработанной ими системы. Согласно расчётам получившаяся схема даёт контраст изображения приблизительно 10-9. Кроме того, было продемонстрировано, что EUI показывает ахроматизм — уменьшение аберраций при увеличении длины волны.
В дальнейших учёные планируют создать лабораторный прототип и провести с ним ряд экспериментов. Как замечаетАлександр Тавров: «Мы хотим увидеть далёкие миры в телескоп, но это говорит о том, что далёкие миры, тоже нас могут видеть. Достаточно небольшого опережения в технике, всего на 50 или 100 лет, чтобы делать это в разы точнее чем сейчас доступно нам».
Extremely unbalanced interferometer for precise wavefront control in stellar coronagraphy(http://astronomicaltelescopes.spiedigitallibrary.org/article.aspx?articleid=2479726)
J. Astron. Telesc. Instrum. Syst. 2(1), 011011 (Dec 24, 2015). doi:10.1117/1.JATIS.2.1.011011
