[论文解读] Adaptive Optics and Lucky Imager (AOLI): presentation and first light

S. Velasco, R. Rébolo+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文介绍了自适应光学幸运成像仪（AOLI），这是一种创新仪器，结合了幸运成像与自适应光学技术，实现了从地面望远镜获得衍射极限的光学成像。通过使用非线性倾斜波前传感器和电子倍增CCD（EMCCD）探测器，AOLI在首次观测中实现了0.151角秒的FWHM点扩散函数，成功解析了引力束缚的恒星系统LkH $\alpha$ 262-263，并探测到原行星盘及LkH $\alpha$ 262的近距离伴星。

ABSTRACT

In this paper we present the Adaptive Optics Lucky Imager (AOLI), a state-of-the-art instrument which makes use of two well proved techniques for extremely high spatial resolution with ground-based telescopes: Lucky Imaging (LI) and Adaptive Optics (AO). AOLI comprises an AO system, including a low order non-linear curvature wavefront sensor together with a 241 actuators deformable mirror, a science array of four 1024x1024 EMCCDs, allowing a 120x120 down to 36x36 arcseconds field of view, a calibration subsystem and a powerful LI software. Thanks to the revolutionary WFS, AOLI shall have the capability of using faint reference stars ({\it I\/} $\sim$ 16.5-17.5), enabling it to be used over a much wider part of the sky than with common Shack-Hartmann AO systems. This instrument saw first light in September 2013 at William Herschel Telescope. Although the instrument was not complete, these commissioning demonstrated its feasibility, obtaining a FWHM for the best PSF of 0.151$\pm$0.005 arcsec and a plate scale of 55.0$\pm$0.3 mas/pixel. Those observations served us to prove some characteristics of the interesting multiple T Tauri system LkH$α$ 262-263, finding it to be gravitationally bounded. This interesting multiple system mixes the presence of proto-planetary discs, one proved to be double, and the first-time optically resolved pair LkH$α$ 263AB (0.42 arcsec separation).

研究动机与目标

• 开发一种结合自适应光学与幸运成像技术的高空间分辨率光学仪器，用于地面望远镜。
• 通过采用非线性倾斜波前传感器，克服传统自适应光学对明亮参考恒星的依赖限制。
• 利用较暗的导星（I ~ 16.5–17.5）实现光学波段的衍射极限成像，扩大可观测天空范围。
• 在威廉·赫歇尔望远镜首次运行期间，验证AOLI系统的可行性与性能表现。
• 以前所未有的角分辨率研究年轻恒星系统，包括多颗T Tauri恒星与原行星盘。

提出的方法

• AOLI集成了一个241单元形变镜与低阶非线性倾斜波前传感器，实现实时大气湍流校正。
• 采用四台1024×1024电子倍增CCD（EMCCD）进行科学成像，运行速率30 fps，500–1000 nm波段量子效率超过95%。
• 仪器采用金字塔镜架构，将连续视场重映射至独立探测器，实现36×36至120×120角秒的可变视场。
• 通过基于斯特鲁姆比（Strehl ratio）选择最佳10%短曝光图像并进行叠加，应用幸运成像技术以实现接近衍射极限的分辨率。
• 实时采集软件对斑点图像进行实时处理，减少数据量，并支持现场实时验证。
• 校准单元配备相位板，用于模拟大气湍流，以测试波前传感器与孔径重建性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性倾斜波前传感器是否能够在光学波段利用较暗导星（I ~ 16.5–17.5）实现高阶自适应光学校正？
• RQ2 在10米级望远镜的真实运行条件下，结合自适应光学与幸运成像的系统可实现的空间分辨率是多少？
• RQ3 T Tauri恒星系统LkH $\alpha$ 262-263是否为引力束缚系统？高分辨率成像提供了哪些支持证据？
• RQ4 在LkH $\alpha$ 262-263系统各成员周围探测到的原行星盘具有何种性质？其中是否有双盘结构被解析？
• RQ5 AOLI仪器能否通过光学衍射极限成像解析年轻恒星的近距离伴星，例如LkH $\alpha$ 262的潜在伴星？

主要发现

• AOLI在首次观测中实现了最佳FWHM为0.151 ± 0.005角秒，证明其接近衍射极限的性能表现。
• 通过M15球状星团作为校准目标，测得板 scale 为55.0 ± 0.3毫角秒/像素。
• LkH $\alpha$ 262-263系统被确认为引力束缚系统，A、B、C三颗成员表现出共同运动。
• 探测到LkH $\alpha$ 262的近距离伴星，表明该系统为包含未解析成分的多星系统。
• 在LkH $\alpha$ 263 A/B与LkH $\alpha$ 262周围识别出原行星盘，其中LkH $\alpha$ 263 C的盘面被光学解析为边缘朝向。
• LkH $\alpha$ 263AB系统首次在光学波段以0.42角秒的分离度被解析，证实其为双星系统。