自從天文學家發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星以來，多年來一直觀測到4000多個系外行星。通常，它們的存在是由于它們對母恒星的輕微影響而失去的，這大大地使它們耀眼。十年半以來，科學家一直試圖直接對系外行星進行成像，但是當試圖利用大型地面望遠鏡時，地球的大氣層成為主要障礙。

現(xiàn)在，包括圣塔芭芭拉分校的研究人員在內(nèi)的美國和日本科學家與工程師組成的團隊開發(fā)了一種新型的系外行星搜尋相機。該設備部署在夏威夷州毛納基亞(Maunakea)的斯巴魯望遠鏡(Subaru Telescope)上，按像素數(shù)計算是世界上最大的超導相機，并將在不久的將來為太陽系外行星的直接成像鋪平道路。太平洋天文學會出版物上出現(xiàn)的儀器論文向天文學界宣布了該新裝置。

MKID系外行星相機(MEC)由研究人員在本·馬津(Ben Mazin)教授的實驗室中構造而成，它使用微波動力學電感檢測器(MKID)使科學家能夠直接成像系恒星和明亮恒星周圍的圓盤。該探測器的運行速度為90密耳，幾乎是零，這是第一臺永久性部署的超導相機，它在光譜和近紅外光譜范圍內(nèi)工作。

Mazin實驗室的博士生Sarah Steiger說：“在系外行星直接成像中，您正在嘗試成像比其母恒星微弱幾百萬倍的行星。” “這相當于試圖從飛機上看到一個螢火蟲在一個燈火通明的足球場旁。

她繼續(xù)說：“此外，如果您是從地面進行的，則必須從地球的湍流中觀察。” 這種湍流是導致恒星在夜空中閃爍的原因，并且是天文學家常年頭痛的事情，它們扭曲了圖像并使星光投射在昏暗的系外行星上。

博士生Neelay Fruitwala說：“要防止恒星發(fā)出的雜散光完全壓倒地球，這是一場持續(xù)的戰(zhàn)斗。”

現(xiàn)代天文臺使用自適應光學器件來校正這些畸變。這些系統(tǒng)依靠快速反饋回路和復雜的算法，以每秒抵消反射鏡數(shù)千次的方式抵消大氣的影響，使科學家能夠像望遠鏡在太空中一樣恢復圖像。

馬贊說：“這些非常復雜的自適應光學系統(tǒng)使我們能夠發(fā)現(xiàn)像HR 8799那樣的行星，這是一個在木星質量軌道上方四顆行星的系統(tǒng)。” 但是它們也可以散射光，這會掩蓋微弱的系外行星。“我們發(fā)現(xiàn)僅靠使用自適應光學系統(tǒng)只會發(fā)現(xiàn)我們很少的行星，即那些仍在以其形成的熱量發(fā)光的行星，這在我們恒星附近并不常見。”

在夏威夷毛納基亞山頂?shù)乃拱汪斖h鏡。圖片來源：日本國家天文臺(NAOJ)

MKID的另一個優(yōu)勢在于它們能夠確定撞擊探測器的每個光子的能量。施泰格說：“這不僅使我們能夠確定行星的亮度，而且還可以獲得光譜(亮度是能量的函數(shù))，該光譜可以揭示有關系外行星特性的其他信息，例如行星的年齡，質量和潛在的大氣成分。”

更先進的探測器使用日冕儀，該儀可以遮擋來自主恒星的某些光，因此科學家可以更好地識別從行星自身反射的光。這對于對附近的系統(tǒng)進行成像非常重要，其中大多數(shù)并不是特別年輕。但是，要從這種設置中獲得最佳性能，就需要非常好的自適應光學器件。

馬贊說：“這些工具現(xiàn)在正在碰壁。” “它們可以將恒星的光線阻擋大約一百萬倍，但是問題是，大多數(shù)行星比其母恒星更暗淡十億倍。”

與傳統(tǒng)相機相比，MKID的優(yōu)勢之一是它們非?？?。Steiger解釋說，這些檢測器每秒可以讀出數(shù)千次數(shù)據(jù)，這是跟上自適應光學系統(tǒng)的速度。通過與天文臺的自適應光學系統(tǒng)通信以消除一些散射和衍射的星光，MKID可以進一步清理圖像。這就限制了系外行星成像的微弱極限。

MKID系外行星相機應將天文學家可以直接成像到地球附近的系外行星范圍擴大。這是最重要的，因為我們可以更詳細地描述它們的特征，負責斯巴魯日冕極致自適應光學(SCExAO)儀器的項目科學家Olivier Guyon說。

最終目標是尋找生命的證據(jù)，而MEC是這一旅程中的重要一步。Guyon說：“我們將無法使用Subaru或任何現(xiàn)有的望遠鏡來做到這一點，因為它們太小了。” “但是，我們正在為下一步工作做準備，那就是將系外行星成像相機部署在大型望遠鏡上，例如三十米望遠鏡。當這些望遠鏡投入使用時，相同的技術，相同的相機，相同的技巧將使我們能夠真正尋找生命。”

也就是說，還有很多工作要做，主要是關于MEC的軟件和算法。該團隊獲得了海辛-西蒙斯基金會(Heising-Simons Foundation)的一筆巨款，以解決這一問題并在未來幾年內(nèi)進一步開發(fā)快速光學校正。馬贊說：“我們?yōu)榇烁冻隽怂械陌褢?，我們也在開發(fā)新的把戲。”

作者們承認毛納基亞(Maunakea)峰會在夏威夷社區(qū)內(nèi)所發(fā)揮的重要文化作用和崇敬精神，并說他們很幸運有機會在這座山上進行觀測。