[论文解读] Developing post-coronagraphic, high-resolution spectroscopy for terrestrial planet characterization on ELTs

Nemanja Jovanović, Olivier Guyon+13 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 12被引用 9

一句话总结

本文提出了一种利用昴神望远镜SCExAO与IRD仪器进行地外类地系外行星高分辨率光谱学的新方法，通过后日冕仪光纤耦合实现。结合自适应光学、光斑控制与单模光纤耦合，该方法实现了极高的对比度，可隔离行星光，从而通过与模板光谱互相关，实现高信噪比检测大气分子特征。

ABSTRACT

Spectroscopic observations are extremely important for determining the composition, structure, and surface gravity of exoplanetary atmospheres. High resolution spectroscopy of the planet itself has only been demonstrated a handful of times. By using advanced high contrast imagers, it is possible to conduct high resolution spectroscopy on imageable exoplanets, after the star light is first suppressed with an advanced coronagraph. Because the planet is spatially separated in the focal plane, a single mode fiber could be used to collect the light from the planet alone, reducing the photon noise by orders of magnitude. In addition, speckle control applied to the location where an exoplanet is known to exist, can be used to preferentially reject the stellar flux from the fiber further. In this paper we will present the plans for conducting high resolution spectroscopic studies of this nature with the combination of SCExAO and IRD in the H-band on the Subaru Telescope. This technique will be critical to the characterization of terrestrial planets on ELTs and future space missions.

研究动机与目标

• 为克服恒星光芒带来的极端对比度挑战，实现对类地系外行星的高分辨率光谱学。
• 开发一种利用单模光纤注入技术分离行星光并抑制恒星光晕光子的方法。
• 利用形变镜与预测算法，实施准静态与大气光斑控制技术，以提高对比度。
• 在8米级望远镜上利用现有仪器实现高对比度差分光谱学（HDC）的可行性验证，作为ELT任务的前导工作。
• 通过将行星光谱与分子模板互相关，实现对系外行星大气中分子特征的高信噪比检测。

提出的方法

• 利用SCExAO的极端自适应光学系统在H波段实现斯特雷尔比>90%，最大限度减少波前误差，将星光集中于PSF核心。
• 应用日冕仪抑制轴向星光并减小衍射晕，提高恒星附近暗区的对比度。
• 通过利用精确的笛卡尔运动控制追踪行星位置的光纤注入装置，将行星光注入单模光纤。
• 采用光斑消零算法，通过调制形变镜相位在行星位置抑制准静态光斑，使耦合进光纤的光通量降低100–1000倍。
• 利用预测控制与空间线性暗场控制（LDFC）抑制快速演变的大气光斑，最小化光子噪声，实现更长的积分时间。
• 利用IRD光谱仪（R ≈ 65,000）对光纤耦合光进行色散，通过与模板光谱互相关，实现在行星大气中高分辨率检测分子特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 单模光纤注入结合后日冕仪光斑控制是否足以实现足够对比度，以在高分辨率光谱学中分离出恒星的行星光？
• RQ2 预测控制与LDFC在多大程度上可有效抑制暗区中的大气光斑，以提高行星光谱的信噪比？
• RQ3 当光纤注入光来自行星位置时，IRD光谱仪在检测系外行星大气中分子特征方面的效率如何？
• RQ4 在当前8米级望远镜上，利用此HDC技术可实现的对比度与信噪比是多少？
• RQ5 该方法是否可扩展至未来的极大望远镜（ELTs），以实现对类地系外行星的大气表征？

主要发现

• SCExAO与IRD的结合首次在地基8米级望远镜上实现了对系外行星表征的高对比度差分光谱学（HDC）实验演示。
• 利用形变镜进行光斑消零，使准静态光斑耦合进单模光纤的光通量降低了100–1000倍，显著提升了对比度。
• 即使在大气湍流存在的情况下，静态光斑抑制仍实现了光纤中平均光通量约3倍的降低，证明了其鲁棒性。
• 预测控制与LDFC被证明对抑制快速演变的大气光斑有效，使积分时间更长，信噪比更高。
• 该系统预计将于2018年年中实现常规科学运行，支持R > 10,000的高分辨率系外行星大气光谱学，同时实现恒星与地球大气校准。
• 该方法为在ELT上探测类地系外行星大气中的分子特征提供了切实可行的路径，具备实现足够信噪比以支持大气反演的潜力。