[论文解读] SPHERE+: Imaging young Jupiters down to the snowline

A. Boccaletti, G. Chauvin+131 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2020

Astro and Planetary Science参考文献 2被引用 22

一句话总结

SPHERE+ 提出对甚大望远镜（VLT）上的 SPHERE 仪器进行重大升级，通过提升可见光与红外波段的灵敏度、对比度和光谱分辨率，实现对年轻木星（直至雪线附近）的高对比度成像。该项目聚焦于先进波前控制、新型偏振测量模式，以及集成高速可见光积分场光谱仪（IFS），显著提升对原恒星盘和原行星盘结构的探测能力。

ABSTRACT

SPHERE (Beuzit et al,. 2019) has now been in operation at the VLT for more than 5 years, demonstrating a high level of performance. SPHERE has produced outstanding results using a variety of operating modes, primarily in the field of direct imaging of exoplanetary systems, focusing on exoplanets as point sources and circumstellar disks as extended objects. The achievements obtained thus far with SPHERE (~200 refereed publications) in different areas (exoplanets, disks, solar system, stellar physics...) have motivated a large consortium to propose an even more ambitious set of science cases, and its corresponding technical implementation in the form of an upgrade. The SPHERE+ project capitalizes on the expertise and lessons learned from SPHERE to push high contrast imaging performance to its limits on the VLT 8m-telescope. The scientific program of SPHERE+ described in this document will open a new and compelling scientific window for the upcoming decade in strong synergy with ground-based facilities (VLT/I, ELT, ALMA, and SKA) and space missions (Gaia, JWST, PLATO and WFIRST). While SPHERE has sampled the outer parts of planetary systems beyond a few tens of AU, SPHERE+ will dig into the inner regions around stars to reveal and characterize by mean of spectroscopy the giant planet population down to the snow line. Building on SPHERE's scientific heritage and resounding success, SPHERE+ will be a dedicated survey instrument which will strengthen the leadership of ESO and the European community in the very competitive field of direct imaging of exoplanetary systems. With enhanced capabilities, it will enable an even broader diversity of science cases including the study of the solar system, the birth and death of stars and the exploration of the inner regions of active galactic nuclei.

研究动机与目标

• 将 SPHERE 的高对比度成像能力扩展至探测在雪线内（通常为 2–4 AU）形成的年轻气态巨行星，该区域此前因中心恒星的耀斑而难以观测。
• 通过先进的自适应光学校正、新型探测器和优化的波前传感，提升可见光与红外波段的仪器灵敏度与对比度性能。
• 通过引入宽带偏振分束器并稳定仪器偏振效应，实现在 IRDIS 和 ZIMPOL 中高效偏振观测。
• 开发高帧频、低读出噪声的可见光积分场光谱仪（IFS），用于探测年轻行星中的吸积特征。
• 通过在飞行相关环境中测试第二级自适应光学系统和高分辨率光谱技术，为未来极大望远镜（ELT）仪器做好准备。

提出的方法

• 在 SPHERE+ 自适应光学系统中引入新型波前传感器和改进的控制回路，实现在可见光与近红外波段的亚角秒校正。
• 为 IRDIS 引入高反射率、宽带偏振分束器，实现标准偏振成像，同时不牺牲双波段成像能力。
• 在可见光通道中集成低噪声、高帧频的 EMCCD 探测器，以冻结大气湍流，并支持后续处理技术（如斑点干涉测量）。
• 重新审视并优化 ZIMPOL 的日面遮罩和滤波器，将灵敏度扩展至距离恒星最多 4 角秒的区域。
• 针对使用光纤、微透镜阵列或镜像切割器 IFU 结构的可见光 IFS 开展可行性研究，重点考虑视场、像素 scale 和光谱分辨率。
• 研究新型波片的集成，以稳定仪器偏振效应，并实现除线性偏振外的圆偏振测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过增强自适应光学校正和低噪声探测器，SPHERE+ 是否能在可见光波段实现至少一个数量级的对比度提升？
• RQ2 在 IRDIS 中实施宽带偏振分束器用于常规原恒星盘和行星系统偏振成像的可行性与性能增益如何？
• RQ3 ZIMPOL 中的非轴向观测在多大程度上可将动态范围扩展至距离恒星最多 4 角秒，以探测微弱结构？
• RQ4 具备中等光谱分辨率和高时间采样率的可见光 IFS 是否能通过 Hα 等发射线探测到年轻气态巨行星中的吸积特征？
• RQ5 SPHERE+ 在多大程度上可作为未来 ELT 仪器（如 MICADO、HARMONI 和 METIS）的试验平台，特别是在行星相机与光谱仪（PCS）技术方面？

主要发现

• 由于自适应光学性能更优且空间采样更佳，SPHERE+ 在可见光通道的对比度预计相比 MUSE 提升至少一个数量级。
• 在可见光通道中增加低读出噪声、高帧频的 EMCCD 探测器，将支持类似 SHARK-VIS 中采用的后处理技术，显著提升对微弱目标的探测灵敏度。
• 可行性研究表明，可为 IRDIS 制造宽带偏振分束器，实现常规偏振成像，且不损害双波段成像能力。
• ZIMPOL 中的非轴向观测预计可将可观测分离范围扩展至 4 角秒，提升对大尺度原恒星结构的探测能力。
• 集成基于微透镜阵列或光纤 IFU 的可见光 IFS 在技术上是可行的，可实现约 2–3 角秒视场内的中等分辨率光谱（R ~ 1000–3000）。
• SPHERE+ 在技术与科学层面均适合作为未来 ELT 仪器的前导平台，尤其在测试第二级自适应光学系统和高分辨率光谱技术用于系外行星表征方面具有显著优势。