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南京天光所与美国大学合作在系外行星成像观测中取得进展

导读: 1月12日至18日,中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所和加州州立大学北岭分校(CSUN)合作研制的用于系外行星成像观测的便携式“极端”自适应光学系统(简称Ex-AO),在美国新墨西哥州ApachePoint天文台(APO)实测取得重要进展。

  1月12日至18日,中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所和加州州立大学北岭分校(CSUN)合作研制的用于系外行星成像观测的便携式“极端”自适应光学系统(简称Ex-AO),在美国新墨西哥州ApachePoint天文台(APO)实测取得重要进展。该套Ex-AO系统在近红外H波段能够稳定地校正目标恒星像,并首次获得了接近10-5的成像对比度。

  该研究工作受到国家自然科学基金委重大国际(地区)合作研究项目资助(资助号:11220101001,中方项目负责人朱永田研究员,美方项目负责人任德清教授)。利用前期科研经费,项目组购买了ApachePoint天文台AstrophysicalResearchConsortium(ARC)3.5米望远镜的2个晚上的观测时间。由南京天光所和CSUN组成的“系外行星成像及Ex-AO”联合研究团队,将自主研发的科研装备,再次实现与国际著名大型望远镜平台的对接观测。其中,该EX-AO系统作为客座仪器由国内预先运至APO天文台,项目组研究人员利用有限的时间,快速完成了Ex-AO系统的搭建、调试,并最终顺利地与3.5米望远镜的耐焦接口完成对接。

  图示:安装在ARC3.5米望远镜NA2接口Ex-AO系统实物图片

  项目组选择了具有不同星等的恒星作为观测目标(可见光波段视星等-1至8等),验证了该Ex-AO系统对不同星等恒星都能够提供优良的像质(当夜平均视宁度为1.2”~1.4”,风速为5~13m/s)。此处,以恒星alphaTau和kapGem为例,给出了当夜的观测结果。此次观测采用了短时间曝光和长时间曝光两种模式。短曝光下拍摄的alphaTau校正前后的对比视频如下所示,Ex-AO系统能够稳定提供接近衍射极限成像的校正,目标星的能量经校正后,明显集中于艾利斑区域内。

  AOONandOFFMovie

  KapGem的观测结果为长曝光拍摄,该目标星等V=3.57,具有一颗暗弱伴星,经自适应光学初步校正并利用项目组近期提出的独特的IRS(ImageRotationSubtraction,Renetal.ApJ2012)图像处理算法,最终处理后的图像如下图上所示,图下为成像对比度与角距离曲线,这是课题组首次在实测中获得接近10-5的对比度,证明了该套仪器具备开展系外行星成像科学观测的能力。

  图示:经Ex-AO校正和IRS算法处理后的kapGem的PSF图像(上)及成像对比度曲线(下)

  本次Ex-AO系统是继2014年在欧南台的NTT3.5米望远镜上实验之后,再次在3~4米级望远镜上获得成功观测。相比8~10米级大望远镜,3~4米级望远镜能提供更充足的观测时间,是开展系外行星成像观测的理想平台,但目前大多数该级别的望远镜尚未配备有效工作的自适应光学系统,这极大限制了望远镜的科学利用价值。因此该套Ex-AO系统的实测也吸引了APO天文台众多同行的关注,揭示了大量高分辨成像需求的科学观测可以借助该套仪器,在3.5米望远镜平台上完成。

  目前,该Ex-AO系统仍采用了97单元可变形镜,但校正精度已经提升至48阶(泽尼克系数),校正频率为1000Hz,搭配科学级H波段红外相机记录焦面图像。课题组下一步计划将可变形镜升级为277单元,更充分匹配3.5米望远镜口径,预计可以校正至100阶像差。基于升级后的系统,课题组将正式开展系外行星成像的科学观测。届时,该Ex-AO系统还能作为通用的自适应光学系统,为其他高分辨成像等相关研究服务。

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