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胡中文研究员,博士生导师,天文光学仪器专家。现任南京天光所副所长、天文光谱和高分辨成像技术研究室副主任。

江苏省光学学会理事,中国宇航学会空间遥感专委会委员,天文学报学科编委。

1991年毕业于哈尔滨工业大学,2005年毕业于中国科学技术大学获博士学位。

主要研究方向为高分辨率光谱技术、集成视场三维光谱技术、极大望远镜科学仪器关键技术和南极长基线光学红外干涉仪关键技术。

主要学术成就及科研活动如下:

1)16台LAMOST低分辨率光谱仪主要建设者之一。

2)对LAMOST低分辨率光谱仪光栅建立了全参数测量系统。

3)推导了任意1阶可微弯曲面形上具有任意1阶可微条纹函数的广义光栅方程和其显示光学追迹公式;给出了弯曲面型衍射光栅测试方法的修正算法公式,并获得国际同期小曲率半径光栅最好的测量精度。

4)研发国内首台光纤引导天文高分辨率光谱仪和南北极极光观测光谱仪。在国内首先从实验室获得基于像切分器的积分视场(或集成视场)光谱。

5)基于2.16米望远镜高色散光谱仪建立TIP/TILT系统,效率提高约25%。

6)实验室自主建立了光纤微透镜胶合及检测方法,并被应用到2.16米望远镜高色散光谱仪的同步定标系统。

7)主持国际SONG项目中国节点光谱仪和泰国天文研究所的阶梯光栅光谱仪研制。

8)曾作为中俄合作世界空间天文台空间仪器长缝光谱仪的主要设计者合作研究多年,提出了多种仪器方案,获得好评。

9)作为负责人完成了TMT 宽视场光谱仪导星及波前传感子系统可行性研究工作包。

10)中欧合作空间引力波望远镜的相关研究。

11)参加第26次南极科考,进行了DOME A 天文设备的维护安装。

12)目前进行的工作:与加州理工大学光学天文台合作开展5米海尔望远镜下一代光谱仪研制和负责巡天空间望远镜无缝光谱组件研制;参加TMT宽视场光谱仪的国际合作;拟定中国发展恒星干涉仪的路线图,并开展实验室技术验证。

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内容

系外行星空间超高对比度成像关键技术取得突破性进展

寻找另一个存在生命的星球是人类有史以来一直追求的梦想。这需要探测围绕太阳光谱型恒星宜居带内地球质量的行星系统,通过光谱研究该类行星大气成分,以确定其上是否存在生命特征信号,从而最终解答"人类在宇宙中是否孤独?"这一基本科学问题。其挑战在于直接探测来自类地行星的光子信号,需要解决来自望远镜衍射产生的光子噪声(通过星冕仪进行抑制,参见Ren, Dou & Zhu PASP 2010)以及由光学元件等不理想表面介入波像差产生的散斑噪声,以最终达到10-10(百亿倍)成像对比度。国际团队多采用可变形镜(DM)对上述波像差进行校正。但是,由于受到DM有效单元数限制,其高对比度成像暗区面积非常小,这将导致未来空间类地行星成像探测效率较低。 

  近期,南京天光所系外行星探测和高分辨率成像研究组在空间"超高"对比度成像技术领域取得了突破性进展:首次提出了一种在大面积工作区域内产生超高对比度成像技术方案。采用星冕仪结合液晶空间光调制器(SLM)波像差校正,可以获得与采用DM相当的成像对比度(10-10),而成像区域超过国际其他团队,这将有望极大地提高系外行星空间成像探测效率。该结果于1118日发表在国际天文期刊Astrophysical Journal(具体参见文章Dou & Ren ApJ 2016, 832, 84)。图1给出了大面积超高对比度暗区成像系统理论模拟结果。基于上述技术,团队在2015年首次在大面积区域内获得高达10亿倍的成像对比度,实验结果见图2(或者参见文章Liu, Ren & Dou et al. RAA 2015)。

1. 超高对比度成像系统理论模拟结果。上图:由相位校正单元提供的波像差(左),产生的大区域高对比度成像暗区(右);下图:成像对比度曲线(蓝色——散斑噪声占主导情况下系统成像对比度~10-7,红色——经过SLM校正之后在大工作区域内4~45λ/D获得高达100亿倍的成像对比度)。

2. 超高对比度成像系统实验结果:未经过星冕仪校正,行星淹没在恒星散斑噪声之中(左);经过星冕仪精确校正之后,由系统静态波相差产生的散斑噪声被有效消除,使得较恒星光暗109倍的行星(白色圆圈内)清晰可见(右)

该研究先后受到国家自然科学基金委重点项目(资助号:11433007)和中科院"空间科学预先研究(第二批,第三批课题,资助号分别为XDA04070600XDA04075200"等项目的资助(负责人:窦江培)。目前,第三批课题"系外行星天文成像初步方案及关键技术试验研究"20161027日顺利通过了专家组技术评审。课题提出了具有创新性的空间系外行星成像探测方案,在关键技术攻关方面取得突破性进展,满足任务书要求。 

  前期,项目组提出的Cool Planet ImagerCPI)计划已被列入中国科学院空间科学战略性先导科技专项——空间天文2016-2030发展规划。下一步,项目组将对现有试验系统进行优化升级,有效压缩现有系统的体积,并将整套系统放置于真空罐中,进一步将成像对比度提高一个量级。这将为下一步搭载空间天文望远镜开展系外类地/类木冷行星的天文成像探测和大气光谱特征研究奠定技术基础。 

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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。