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太阳系外行星直接成像新技术研究
窦江培
Subtype博士
Thesis Advisor朱永田 ; 任德清
2009-06
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline天 体 物 理
Keyword太阳系外行星 高对比度成像星冕仪 透过率渐变光瞳 带状透过率渐 变滤光片 散斑噪声消除技术
Abstract
太阳系外行星探测是当今国际天文学热点课题,系外行星探测方法主要分间接探测和直接成像。目前已发现的300 多颗恒星周围存在行星,主要是由多普勒效应法等间接探测到的。该类方法只能对大质量或短轨道行星进行探测,而直接成像技术将有望实现对类地行星的探测,并能准确获知行星质量,轨道半径等信息;进一步做光谱分析,可获得该行星组成,甚至其上是否存在生命等重要信息,这些信息难以通过间接探测方式获得。然而,系外行星与其主星辐射对比度在10-6~10-10-之间,来自行星的微弱光将被淹没在极强的恒星衍射光背景下,这对系外行星直接成像技术提出了挑战。研制一台高对比度,性能稳定的星冕仪是实现系外行星直接成像的关键。该仪器研究目前仅在国外进行,国内尚未对该技术进行过系统的研究。国际上提出的星冕仪系统理论上可获得10-10成像对比度,但其实际性能往往受到加工精度及系统波前畸变等因素限制而均未达到理论水平。

本文首次提出了基于有限带带状透过率渐变调制光瞳技术的星冕仪系统,该系统的特有设计大大降低了仪器研制难度,使系外行星直接成像成为可能。随着对系外行星直接成像技术研究的深入,把该星冕仪系统的技术目标定为:初步在4λ/D 处使系统成像对比度达到10-6~10-7;长远目标是把成像对比度提高到10-10。该仪器初步可用于三个观测目标:⑴对已间接探测到的系外行星直接成像;⑵直接对准恒星以期对其周围小质量或长轨道的行星直接成像;⑶对年轻巨行星直接成像。最终,该仪器将用于实现对类地行星的直接成像。

本论文主要内容包括:⑴系统地介绍了系外行星探测技术的发展历史和研究现状,对本课题或其它相关课题的研究具有较高的参考价值;⑵利用傅立叶光学原理推导了基于有限带带状透过率渐变调制技术的星冕仪系统的理论设计,研究了透过率误差、光源不均匀性及波相差对系统的影响;⑶采用数值优化算法解决了基于不同光瞳调制系统的最优解问题,得出了每带透过率的精确值,计算了相应系统的整体透过率,其整体透过率的提高将会降低系统实际曝光时间;⑷提出了基于焦平面三幅图像来实现波前探测的算法,完成了该算法的仿真工作,开展了基于该算法的散斑噪声消除技术的初步研究,进一步提出了基于闭环控制的波前校正技术,理论上在消除散斑噪声后的系统成像对比度有望提高若干数量级;⑸进行了基于可变形镜的相位引入技术的初步研究,采用数值优化算法给出了可变形镜所需提供的相位,对不同光瞳可产生的高对比度成像区域进行了分析比较,研究了宽波段对各种设计的影响,最终找到了一种具有高对比度成像、宽探测区域以及适于宽波段观测的最佳设计方案;⑹完成了系外行星探测技术高对比度成像通用星冕仪系统实验平台的初步搭建,对基于带状透过率渐变调制技术的星冕仪系统可行性、稳定性进行了验证,开发了一套稳定可靠的系统实验流程,找到了制约高对比度成像的各种潜在误差来源,并获得了稳定的实验结果,即该系统在4λ/D 处成像对比度达到10-7,同时对干涉相消式星冕仪系统可行性进行了初步探索。该实验平台搭建为太阳系外行星直接成像技术积累了有益的经验,初步目标的实现将为长远目标做好技术储备;⑺基于行星反射其恒星光理论模型给出了两者辐射对比度定义,并根据黑体辐射理论和行星演化模型推导了年轻热巨行星的相对辐射强度,对已直接探测到的四颗系外行星做了较为系统的分析,提出了我们特有的用于系外行星直接成像的望远镜平台。

Subject Area系外行星探测
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.niaot.ac.cn/handle/114a32/118
Collection中国科学院南京天文光学技术研究所_学位论文
天文光谱和高分辨成像技术研究室_学位论文
Recommended Citation
GB/T 7714
窦江培. 太阳系外行星直接成像新技术研究[D]. 中国科学院研究生院,2009.
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