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 天文光谱和高分辨成像技术研究室

       世界天文学的发展有着近几千年的历史,光谱仪器的出现给它以飞跃的发展,从而形成了近代天文学的主要学科——天体物理学。光谱仪器和天文望远镜是天文研究中的强大武器,而光谱分析是研究天体的最重要的方法。光谱分析是利用原子和分子的发射与吸收光谱进行物化学组成及含量分析的物理方法,各种原子或分子都具有自己的特定的光谱,人们利用光谱仪器可以测量天体的化学成分、大小、重量、运动方向、速度和温度等。因此,天文光谱分析技术是当前和今后主要研究方向之一,随着观测手段的日益发展,天文学家可以对越来越暗弱的天体进行更加精细的光谱观测,高分辨率光谱仪为天文学家研究天体(尤其暗弱天体)的物理特性提供了重要的手段。

       最大限度地提高天文望远镜的空间分辨能力,以便更好地观测天体的形状、结构细节是天文学家的梦想和天文仪器专家追求的目标。而天文光干涉技术可以极大提高天文望远镜的空间分辨率,是高空间分辨率天文观测的主要方法之一。 天文光干涉技术包括恒星长基线光干涉技术和光学综合孔径干涉技术。      

       恒星长基线光干涉仪是以两个天文望远镜构成干涉仪,获得干涉条纹,两个望远镜之间基线越长,空间分辨率越高。由于大气扰动等原因,恒星光干涉仪只能测量恒星的角直径和双星的角距等天体信息。恒星光干涉仪只能进行天体测量,而不能进行图像重建。随着天体物理研究的深入,人们迫切希望借助天文光干涉技术获得天体目标真实的图像信息。以长基线恒星光干涉技术为基础的的光学综合孔径干涉技术,由于采用了闭合相位技术(三个或三个以上的孔径组成闭环后把大气扰动和其它原因造成的相位抵消掉)、频率采样的UV覆盖技术和图像重构技术,可以对天体目标进行高分辩率成像观测。南极由于海拔高,气候寒冷,水气含量小,视宁度好,大气相干长度长,风速低,相干时间长,振动也小,这些特点非常适合发展天文光干涉技术。

       太阳系外行星的探测已成为当今国际天文学热点课题,因其与地外文明的搜寻密切相关,使得该领域的研究具有广泛的公众关注度。其探测方法分为间接探测和直接成像。目前,已发现的上千颗系外行星主要是通过视向速度法和凌星法等间接方式探测到的,而直接成像技术将有望获取行星温度、大气等更全面的物理信息。其中,通过对类太阳恒星宜居带内的类地行星进行成像观测和大气光谱分析,将有望捕获太阳系外生命信号,进而解答“人类在宇宙中是否孤立?”这一基本科学问题,从而突破人类对生命的现有认识。

       对太阳系外行星进行直接成像需要解决两大技术难题:①望远镜孔径引入的衍射光子噪声;②光学系统波前畸变引入的散斑噪声。高对比度成像星冕仪能够有效压制或削弱望远镜孔径产生的衍射光,成像对比度理论上可以高达10-10,使得直接探测系外行星成为了可能。然而,光学系统不理想表面将在系统点扩散函数(PSF)图像上产生散斑噪声,需要对系统的波相差进行精确控制,其RMS需要控制在1/10000波长。  

       目前,通过直接成像方法确认的40多颗系外行星,主要基于8~10 m等地基望远镜开展的,其观测成像对比度达到10-5。现有大中口径和未来极大口径地基望远镜,都在开展和计划进行太阳系外行星天文成像观测研究,其发展趋势是研发 “超级”自适应光学系统(Ex-AO),配备高对比度星冕仪,最终目标成像对比度为10-7~10-8,将有望探测到上百颗年轻的木星质量级别的行星,并进一步获取上述行星的红外波段光谱。基于未来空间望远镜研发高对比度成像星冕仪,目标成像对比度达到10-10,用于在可见光至近红外波段开展类地行星成像观测,并通过光谱分析遥测其大气环境。其发展趋势是在近角距离(1~4λ/D)内获取超高对比度。

       天文光谱和高分辨成像技术研究室主要致力于天文仪器新技术和新概念天文仪器的研究,分为三个科研团组,天文光谱仪组、恒星光干涉组,系外行星探测组。主要研究方向包括:极大望远镜科学仪器技术方法、天文光谱仪器新技术、南极光学红外恒星干涉仪、地外行星探测技术方法等。 天文光谱和高分辩率成像技术研究室有专业技术人员16人,研究员2人,副研究员5人,客座研究员2人,在学研究生10人。