Автореферат (1103492), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Контраст между планетой и звездой ε(в видимом диапазоне) [8]:ε=æçç rplanetAg × ççççç açèö÷2 æ÷÷÷ çç sinç÷÷÷ × ççç÷ø÷ çèf + (π - f )cos f ö÷÷÷÷÷÷ . (3)πø÷Здесь Ag — геометрическое альбедо; rplanet — радиус планеты;a — расстояние между планетой и звездой; f — фазовый угол звезда-планета-наблюдатель. Последний множитель представляет собой фазовую функцию для случая, когда планета считается сферой,рассеивающей по закону Ламберта.
Эта функция принимает значение 1/π при максимальном наблюдаемом удалении планеты от звезды (ψ = π/2); A — функция Эйри в случае телескопа с круглой апертурой диаметром D [9]:A=2J1 ( πDρ λ )πDρ λ. (4)Здесь J1 — функция Бесселя первого рода первого порядка.Рисунок 2 — Остаточная засветка от аналога Солнца и изображения аналогаЮпитера на тёмном выходе ахроматического интерференционного коронографа с переменным вращательным сдвигом. Удаление 10 пк, диаметртелескопа 2,4 м, длина волны 0,35…0,85 мкм, вращательный сдвиг 3,6°Функция пропускания коронографа (рис. 3) растягивается вдоль оси пространственной координаты с коэффициентом 1/sin(ψ/2), так что угол вращения в плечах интерферометра9определяет степень погашения света осевого источника (звезды)и коэффициент пропускания света неосевого источника (планеты).
Это позволяет подобрать оптимальное значение угла вращения при известных (или предполагаемых) параметрах наблюдения.Так достигается максимальная степень ослабления яркого осевогоисточника (звезды) вместе с пропусканием наибольшего количества полезного светового сигнала (от планеты). Максимальное пропускание полезного светового сигнала (света планеты) составляет28,3 % для неполяризованного света на входе и 56,6 % — для линейно поляризованного.Рисунок 3 — Зависимость пропускания света неосевого источника (планеты) на тёмном выходе коронографа от углового расстояния между осевыми неосевым источниками (звездой и планетой) для значений угла вращательного сдвига 180, 45 и 10°В п. 2.6 введено понятие коронографического контраста с целью количественной оценки эффективности применения коронографа для погашения звезды и контрастирования планеты. Коронографический контраст (СС) — это отношение интегральныхинтенсивностей изображения двух копий планеты Iplanet и фоновой засветки рассеянным светом звезды Istar в круговой области радиусом R ≈ 0,5λ/D с центром в одной из копий в диапазоне длинволн Δλ:ò òò I planet dλ dα dβCC (ρ0 , ψ, Θ ) = ∆λSò òò I star dλ dα dβ∆λ10S.
(5)На рис. 4 приведена карта зависимости логарифма коронографического контраста lg(CC(ρ0)) от углового расстояния междузвездой и планетой ρ0 для различных значений угла вращательногосдвига ψ. Параметры моделирования: Солнечная система на удалении 10 пк наблюдается телескопом диаметром D = 2,4 м, диапазондлин волн λ = 0,35…0,85 мкм, λ0 = 0,5 мкм, угловой размер звезды Θ = 0,02λ0 /D, радиус области интегрирования R = 0,5λmax /D,λmax = 0,85 мкм.Рисунок 4 — Карта коронографического контраста lg(CC(ρ0)). Кривые соответствуют углам вращательного сдвига (снизу вверх): 180, 60, 30, 20, 15, 10,8, 6, 4°.
Точка 1 — контраст и угловое расстояние между Солнцем и Землёй.Точка 2 — контраст и угловое расстояние между Солнцем и ЮпитеромКак можно видеть на рис. 4, в схеме коронографа с переменнымвращательным сдвигом свет звезды гасится на один-два порядка эффективнее при углах 5…45°, чем при фиксированном повороте на180°. Достигаемый в схеме коронографический контраст позволяетвизуализировать экзопланеты-гиганты близнеца нашей Солнечнойсистемы в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах принаблюдении с расстояния 10 пк с помощью телескопа метровогокласса. Кроме того, это даёт возможность уменьшить контраст между аналогом Солнца и экзо-Землёй до величины, укладывающейсяв динамический диапазон современных детекторов.Третья глава посвящена разработке практического решения, реализующего исследованный в работе принцип коронографа.11В п. 3.1 предложена оптическая схема ахроматического интерференционного коронографа с переменным вращательным сдвигом, на основе модификации кольцевого интерферометра Саньяка(интерферометра общего пути [10] (рис. 5).Оптическая схема содержит два поляризационных светоделителя — PBS1 и PBS2, а также шесть плоских зеркал M1…M6, три изкоторых (M3, M4 и M5) образуют вращатель оптического изображения и выводят световой луч из плоскости интерферометра.Рисунок 5 — Оптическая схема ахроматического интерференционногокоронографа общего пути с переменным вращательным сдвигом (нульинтерферометра общего пути).
PBS1, PBS2 — поляризационные светоделители, M1…M6 — плоские зеркала, Ф — фазовая пластинкаВ пп. 3.2–3.3 представлен алгоритм поляризационного расчёта [11], применённый для разработки оптической схемы. Результатполяризационного расчёта состоит в том, что на тёмном выходе коронографа две волны, являющиеся копиями распределения света навходе и распространяющиеся в разных направлениях, имеют равную интенсивность, одинаково поляризованы и находятся в противофазе.
Таким образом две копии осевого источника (звезды) натёмном выходе коронографа погашаются в результате интерференции в противофазе, тогда как две копии неосевого источника (пла12неты) не интерферируют, поскольку оказываются геометрическиразделены при ненулевом вращательном сдвиге.Также в результате расчёта показано, что оптическая схема коронографа может работать с реальными оптическими элементами —зеркалами и светоделителями, — имеющими материальные спектральные и поляризационные характеристики.В п. 3.4 описаны особенности схемы при её использованиис малыми углами вращательного сдвига, при которых обеспечивается лучшее погашение света точечного осевого источника света(звезды). Внесение фазовой пластинки в оптическую схему коронографа обеспечивает дополнительный поворот вектора поляризациипри распространении света в плечах интерферометра и предотвращает снижение пропускания полезного светового сигнала при малых углах вращательного сдвига.В п. 3.5 оценён рабочий спектральный диапазон коронографа.Типичный возможный рабочий спектральный диапазон коронографа составляет 0,3…2 мкм, в котором пропускание полезного света(планеты) в среднем по всем длинам волн составляет около 16 %.При уменьшении спектрального окна возможно достичь большегопропускания.Четвертая глава посвящена экспериментам с созданным в ходеработы лабораторным прототипом коронографа, которые проводились с целью проверить выполненные ранее теоретический анализразработанного метода и численный поляризационный расчёт предложенного варианта оптической схемы.В п. 4.1 описан испытательный стенд, на котором проводилисьэксперименты с лабораторным прототипом (рис. 6).
В качестве источников монохроматического света использовались одномодовыйзелёный лазер с длиной волны 532 нм, который моделировал звезду,и одномодовый красный лазер с длиной волны 632 нм, который моделировал планету. Источником белого света с непрерывным спектром была галогеновая лампа (450…750 нм). Свет от каждого из источников света направляется в соответствующий пространственныйфильтр, состоящий из микроскопного объектива и круглой диафрагмы диаметром 10 мкм для лазерного света и диаметром 50 мкмдля белого света. Затем расходящийся пучок направляется в коллиматор (фокус 40 см), формирующий на выходе плоскопараллельный пучок. При отражении от зеркала на пьезоэлектрической платформе пучок направляется в коронограф через круглую апертуру сосветовым диаметром 5 мм, которая ограничивает диаметр световогопучка.13Рисунок 6 — Схема экспериментаВ п. 4.2 описан эксперимент по демонстрации эффекта погашения точечного источника света, который показал применимость коронографа для наблюдения слабоконтрастных источниковв окрестности ярких.
А именно было продемонстрировано погашение яркого точечного источника света (имитирующего звезду) и наблюдение в непосредственной близости от него слабого, ранее ненаблюдаемого источника (имитирующего планету) (рис. 7 и 8).Рисунок 7 — Экспериментальное моделирование точного наведения коронографа на звезду и погашения звёздного света. Зелёный лазер моделируетзвезду, красный — планету. Ошибка наведения на звезду около 4λ /D. Изображения в плоскости зрачка (слева) и в плоскости изображения (справа)14Рисунок 8 — Экспериментальное моделирование точного наведения коронографа на звезду и погашения звёздного света.
Зелёный лазер моделируетзвезду, красный — планету (изображения смоделированной планеты отмечены стрелками). Ошибка наведения на звезду около 0,01λ /D. Изображения в плоскости зрачка (слева) и в плоскости изображения (справа). Изображение справа увеличено в три раза. Угол вращательного сдвига 20°В п. 4.3 описан эксперимент с внесением в оптическую схемуфазовой пластинки. Его целью было проверить результаты, полученные в ходе численного расчёта пропускания схемы коронографа при малых углах вращательного сдвига после внесения в схемуфазовой пластинки. Эксперимент показал, что фазовая пластинкане нарушает эффекта погашения света от осевого источника и улучшает пропускание полезного светового сигнала при малых ненулевых углах поворота оптического изображения.
При этом абсолютноезначение коэффициента пропускания составляет около 10…20 %.В пятой главе приведены возможные новые применения результатов настоящей диссертационной работы.Звёздный коронограф представляет собой оптический инструмент, который решает задачу погашения яркого точечного источника света для наблюдения его близкой окрестности и исследованияв ней слабоконтрастных объектов и особенностей. Таким образом,помимо поиска и изучения внесолнечных планет коронограф можетприменяться для наблюдения и исследования целого ряда объектов,расположенных как в нашей Галактике, так и за её пределами. Также в п. 5.1 перечисляются такие объекты.15В ситуации, когда звёздный коронограф не позволяет получить изображения экзопланеты, он может использоваться для констатирования её фазовой кривой — периодического изменения количества отражённого планетой света при её движении по орбите,что описано в п. 5.2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
