Диссертация (1103493), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Функция когерентности втаком четырех лучевом интерферометре теоретически позволяет достичькоронографического контраста 1010 (т.е. уменьшить оптический контраст междузвездой и планетой на 10 порядков) при наблюдаемом угловом размере звезды0.01λ/D и угловом расстоянии между звездой и планетой около λ/D.1, 10, 11 – поляризационные светоделители; 2 – неполяризационный светоделитель; 3…7,11…16 – плоские зеркала; 9 – полуволновая фазозадерживающая пластинкаРисунок 23 – Оптическая схема тандема двух последовательных ахроматическихинтерферометровДля телескопов большего размера (диаметром более 1 метра) угловоерасстояние между звездой и планетой в обитаемой зоне при наблюденииближайших звезд (т.е. одна астрономическая единица, удаленная на расстояние43порядка 10 парсек) достигает нескольких дифракционных радиусов (радиусовЭйри), поэтому значение наименьшего рабочего угла (IWA) становится менеекритичным для решения задачи прямого наблюдения экзопланет.
Для такихусловийпервоначальнаясхемаахроматическогоинтерференционногокоронографа была модифицирована до ахроматического интерференционногокоронографа переменного вращательного сдвига [106] (в англоязычной литературе“AchromaticRotation-shearingкоронографов,Coronagraph”,комбинирующихразличные“ARC”),видысм. рисуноксдвигов24, и(линейный,вращательный, растяжение) между копиями изображения в разных плечах: APIC[107] (Absolute Position Interfero-Coronagraph), см.
рисунок 25, VNC [108] (VisibleNulling Coronagraph), см. рисунок 26, PO-NC [109] (Phase-Occultation NullingCoronagraph), см. рисунок 27, а также были предложены принципиальные схемыдействия коронографов Lateral Shearing VNC, см. рисунок 28, и Radial ShearingNulling Coronagraph [109], см. рисунок 29.Среди перечисленных выше схем интерференционных коронографов – ARC,APIC, VNC, PO-NC, Lateral Shearing VNC, Radial Shearing Nulling Coronagraph –была выбрана схема ARC в качестве отправной точки для дальнейшегоусовершенствования и исследования по нескольким причинам. Схема VNC быларазработана авторами из JPL (NASA) и в настоящее время активно ими изучаетсяи уже испытывается в натурных экспериментах на телескопах на земле и в космосе.Схемы Lateral Shearing VNC и Radial Shearing Nulling Coronagraph используют всвоей основе наработки по коронографу VNC, но существуют только в видепринципиальных концепций без четкого описания и расчетов их характеристик.Всеназванныевышесхемыбылипредложеныавтораминаосновеинтерферометров с разделенными плечами, что предъявляет высокие требования ккомпенсации оптической разности хода лучей в разных плечах.
При этом именносхемаARCвомногомпохожанаизначальныйахроматическийинтерференционный коронограф и ее было возможно выполнить по оптическойсхеме общего пути подобно модификации AIC в CP-AIC. При этом схема остаетсяахроматической. И кроме того благодаря переменному углу вращательного сдвига44схема ARC также обладает переменным значением наименьшего рабочего углаIWA, начиная с минимально возможно предела 0.38λ/D (подробнее см. п. 2.2), чтоделает ее в широких пределах адаптируемой под условия наблюдения (угловойразмер звезды, предполагаемые параметры орбиты планеты, размер телескопа,диапазон длин волн и др.) в эксперименте без необходимости вносить изменения вконструкцию.1, 2 – светоделители; 3, 4 – плоские зеркала; 5, 6 – вращатели оптического изображения вплечах интерферометра, состоящие из трех плоских зеркалРисунок 24 – Принципиальные варианты оптической схемы коронографа ARC из работы [106]1, 4 – светоделители; 2, 3 – плоские зеркала; 5, 6 – две пары цилиндрических линз; 7 – объективРисунок 25 – Оптическая схема коронографа APIC из работы [107]451, 2 – светоделители; 3 – специальное деформируемое зеркало (multiple mirror array); 4 –система внесения ахроматического сдвига по фазе в обоих плечах интерферометра; 5 – системаконтроля оптической разности хода; 6 – деформируемые зеркала (non-pupil ‘W’ optics) длявнесения сдвига по фазе; 7 – система контроля качества волнового фронтаРисунок 26 – Оптическая схема коронографа VNC из работы [108]1, 2 – светоделители; 3, 4 – деформируемые зеркала; 5…8 – внеосевые параболические зеркалаРисунок 27 – Схема коронографа PO-NC из работы [109]461, 2 – светоделители, 3 – деформируемое зеркало; 4 – контроль оптической разности хода вплечах интерферометра и задание пространственного сдвига между световыми пучками; 5…10– плоские зеркалаРисунок 28 – Схема коронографа Lateral Shearing VNC из работы [109]1, 2 – светоделители; 3 – деформируемое зеркало; 4 – контроль оптической разности ход междуплечами интерферометра; 5…7 – внеосевые параболические зеркалаРисунок 29 – Схема коронографа Radial Shearing Nulling Coronagraph из работы [109]1.5 Выводы по главе 1На сегодняшний день непрямые методы наиболее развиты и статистическиуспешны в обнаружении и исследовании внесолнечных планет.
Однако ихвозможности ограничены в силу используемых методик, а получаемые данныесильно зависят от моделей, используемых для их интерпретации. В то же время47непосредственноенаблюдениеэкзопланетпозволитнапрямуюполучитьизображения планетных систем около других звезд и измерить их спектры.Прямое наблюдение внесолнечных планет в обитаемой зоне околоближайших звезд и их спектральный анализ – это сложная техническая задача изза сочетания огромного яркостного контраста и малого углового расстояния междупланетой и родительской звездой.
Для ее успешного решения необходим телескопминимум метрового класса (от 2 метров), чтобы собрать свет от удаленнойпланеты, система прецизионной адаптивной оптики для исправления волновогофронта и звездный коронограф для погашения яркого звездного света.Метод прямого наблюдения и необходимые для него оптическиеинструментывнастоящеевремя активноразвиваются,применяютсявэкспериментах по наблюдению окрестностей звезд на наземных телескопах ипланируются в составе комплекса научной аппаратуры российских и зарубежныхкосмических телескопов.Традиционные звездные коронографы ослабляют свет яркого осевогоисточника с помощью фокальных фазовых масок и апподизации входного зрачка,поэтому их рабочий спектральный диапазон значительно ограничен в силухроматичности центральных элементов оптических схем, хотя известны иахроматические модификации.
Стоит отметить, что системы адаптивной оптики,применяемые на сегодняшний день в экспериментах на наземных телескопах,работают также хроматично и исправляют вызванные динамикой земнойатмосферы искажения волнового фронта в очень узком спектральном диапазоне. Вто же время ахроматические схемы коронографов, работающие в широкомспектральном диапазоне, обладают серьезным преимуществом, позволят сократитьвремя наблюдения, а также упростить возможный спектральный анализ.В настоящей диссертационной работе в качестве предмета исследования былвыбран метод ахроматической интерференционной коронографии, дополненныйпеременным вращательным сдвигом, для решения проблемы значительнойфоновой засветки рассеянным звездным светом (не полностью погашенным из-за48ее конечного физического размера), но не имевший практической оптическойсхемы для применения в эксперименте.Переменный вращательный сдвиг определяет значение наименьшегорабочего угла и степень погашения звезды, что позволяет оптимизировать схемукоронографа под особенности стоящих перед коронографом наблюдательныхзадач.492 ФОРМИРОВАНИЕ КОРОНОГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ВАХРОМАТИЧЕСКОМ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОМ КОРОНОГРАФЕ СПЕРЕМЕННЫМ ВРАЩАТЕЛЬНЫМ СДВИГОМВ данной главе представлен анализ формирования оптического изображениязвезды и планеты в схеме ахроматического интерференционного коронографа спеременным вращательным сдвигом [110, 111, 112, 113].
Изложение материалапридерживается логики описания принципа коронографа ARC в работе [106],дополненного и адаптированного к исследованному в работе методу, с цельюанализа ее возможностей по погашению света звезды и контрастированию на еефоне изображения планеты. Оптическая схема коронографа подробнее описана вглаве 3. В настоящем анализе для упрощения математических выкладок не учтенаполяризациясвета,котораяизменяетсяприраспространениисветавинтерферометре, этот эффект будет рассмотрен ниже в главе 3.2.1 Принцип работыРисунок 30 иллюстрирует принцип работы схемы ахроматическогоинтерференционногокоронографас переменным вращательным сдвигом.Полученное телескопом изображение звезды и планеты коллимируют вплоскопараллельный пучок и направляют в интерферометр, где оно разделяется надва равных по интенсивности изображения, одно из них сдвигается по фазе на πрадиан относительно другого и одновременно поворачивается также относительновторой копии на заданный угол ψ вокруг оптической оси, совпадающей с осьюзвезды (направлением на звезду).
При совмещении изображений в результатеинтерференции в противофазе свет от звездызначительно ослабляется(зануляется), в то время как свет от двух копий изображения планеты не гасится,так как они оказываются геометрически разделёнными (при ненулевом углеповорота). При этом все пары копий каждой точки изображения звездырасполагаются ближе друг к другу, чем при вращательном сдвиге на 180° в50классическом варианте АИК [88, 89], что увеличивает степень пространственнойкогерентности двух копий звезды.
Количественно этот эффект описан в п. 2.4.Рисунок 30 – Принципиальная схема работы ахроматического интерференционногокоронографа с переменным вращательным сдвигом2.2 Изображение точечного источникаДля целей анализа формирования изображений звезды и планеты в схемеахроматического интерференционного коронографа общего пути с переменнымвращательным сдвигом будем исходить из следующих допущений.
Полагаем, чтооптические элементы – идеальные зеркала и светоделители. Будем считать звездуипланетупространственнонеразрешимымисветовымиисточникамиснаблюдаемыми размерами много меньше, чем значение λ/D, однако расстояниемежду ними оптически разрешимо и составляет величину порядка λ/D. Планетуполагаем точечным источником, звезду – протяженным источником, имеющимконечный физический размер.Декартовы координаты на небесной сфере обозначим α и β.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
