[论文解读] Design study and first performance simulation of the ELT/MICADO focal plane coronagraphs

C. Perrot, Pierre Baudoz+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2018

Adaptive optics and wavefront sensing参考文献 16被引用 7

一句话总结

本文针对极大望远镜（ELT）上的近红外相机MICADO，展示了经典Lyot日食冠状仪（CLC）的设计与性能仿真。采用双焦点平面掩模系统（半径分别为25和50 mas）及透过率为66.1%的Lyot光阑，仿真结果表明，MICADO在相似分离距离下可实现与SPHERE相当的对比度，其关键优势在于可探测50至150 mas的角分离范围——此前10米级望远镜无法触及——从而实现对这一范围内年轻、炽热、大质量系外行星的探测。

ABSTRACT

In this paper, we present the design and the expected performance of the classical Lyot coronagraph for the high contrast imaging modes of the wide-field imager MICADO. MICADO is a near-IR camera for the Extremely Large Telescope (ELT, previously E-ELT), with wide-field, spectroscopic and coronagraphic capabilities. MICADO is one of the first-light instruments selected by the ESO. Optimized to work with a multi-conjugate adaptive optics corrections provided by the MOARY module, it will also come with a SCAO correction with a high-level, on-axis correction, making use of the M4 adaptive mirror of the telescope. After presenting the context of the high contrast imaging modes in MICADO, we describe the selection process for the focal plane masks and Lyot stop. We will also show results obtained in realistic conditions, taking into account AO residuals, atmospheric refraction, noise sources and simulating observations in angular differential imaging (ADI) mode. Based on SPHERE on-sky results, we will discuss the achievable gain in contrast and angular separation provided by MICADO over the current instruments on 10-m class telescopes, in particular for imaging young giant planets at very short separations around nearby stars as well as planets on wider orbits around more distant stars in young stellar associations.

研究动机与目标

• 为ELT首期近红外相机MICADO设计一种高对比度成像模式，以探测年轻类木巨行星。
• 在真实自适应光学（AO）残余误差与大气条件下，优化经典Lyot冠状仪（CLC）的焦点平面掩模与Lyot光阑。
• 评估MICADO在角差分成像（ADI）模式下的性能，与当前10米级望远镜（特别是SPHERE与GPI）进行比较。
• 确定在10 pc距离下，对年轻系外行星可实现的角分离与对比度极限，尤其关注50–150 mas范围。
• 评估大气色散、仪器背景及自减去偏差对探测极限的影响。

提出的方法

• 采用半径为25和50 mas的双焦点平面掩模系统，模拟冠状成像观测，以优化高角分辨率并减轻大气色散影响。
• 使用孔径直径88%、中心遮挡40%的Lyot光阑，实现66.1%的总透过率。
• 在窄带滤光片（H2/CH4-short与K1/K1-mid）下进行1小时ADI仿真，评估5σ探测极限。
• 建模自适应光学残余像差、大气折射、光子噪声与读出噪声，以模拟真实在轨观测条件。
• 对模拟的系外行星通量应用自减去校准，以修正cADI处理中光度与天体测量的偏差。
• 将MICADO的探测极限与SPHERE对AU Mic的在轨观测结果进行比较，采用cADI与PCA后处理方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 MICADO的冠状成像模式是否能在相同角分离距离下实现与SPHERE相当的对比度性能？
• RQ2 MICADO冠状成像模式可探测年轻类木巨行星的角分离范围是多少？
• RQ3 大气色散在宽波段与窄波段滤光片下的图像质量影响有何不同？
• RQ4 在限制对比度方面，自适应光学残余像差是否显著超过静态与准静态像差？
• RQ5 仪器背景与自减去偏差对ADI处理中探测灵敏度的影响如何？

主要发现

• MICADO在150 mas以上的角分离距离下可实现与SPHERE相当的对比度性能，且在50至150 mas范围内显著提升了探测能力。
• 在H波段的探测极限与SPHERE相近，但MICADO在K波段表现出更优的对比度，主要归因于SPHERE在该波段的高仪器背景。
• 窄带滤光片对减轻大气色散影响至关重要，因色散会显著降低宽波段观测的图像质量。
• MICADO仿真中的对比度主要受自适应光学残余像差主导，而静态与准静态像差的影响相比之下可忽略不计，与SPHERE相比尤为明显。
• 仿真结果表明，对温度≥1200 K、质量≥2 MJ的炽热大质量系外行星，在50–150 mas分离距离内可探测到信号，显示出强大的发现潜力。
• 通过向模拟行星通量中加入自减去偏差，对cADI处理中的偏差进行了校准，从而提升了光度与天体测量的准确性。