Comparing the contrast performance of two IFU technologies for exoplanet direct imaging with ELT-PCS

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, ein Foto von einem winzigen, leuchtenden Glühwürmchen zu machen, das am Rand eines massiven, blendend hellen Scheinwerfers sitzt. Das Glühwürmchen ist Ihr Exoplanet, und der Scheinwerfer ist sein Heimatstern. In der Welt der Astronomie ist dies die ultimative Herausforderung: die direkte Abbildung. Der Stern ist so überwältigend hell, dass er das schwache Licht des Planeten wegwäscht und den Planeten unsichtbar macht. Um dieses Problem zu lösen, verwenden Astronomen spezielle „Sonnenbrillen“, sogenannte Koronagraphen, um das Blendlicht des Sterns zu blockieren, und superscharfe „Brillen“, die sogenannten adaptiven Optiken, um die Unschärfe zu korrigieren, die durch die Erdatmosphäre verursacht wird. Doch selbst mit diesen Werkzeugen versteckt sich der Planet noch immer im Schatten. Um ihn zu sehen, benötigen Sie eine Kamera, die das Licht in einen Regenbogen aufspalten kann (Spektroskopie), um die Atmosphäre des Planeten zu analysieren – aber dies zu tun, ohne den empfindlichen Kontrast zu verlieren, der zur Sichtbarmachung des Planeten nötig ist, gleicht dem Versuch, ein Flüstern in einem Hurrikan einzufangen.

Hier kommt die Geschichte des ELT-PCS-Instruments ins Spiel. Der Planetary Camera and Spectrograph (ELT-PCS) ist eine zukünftige Superkamera, die für das 39-Meter Extremely Large Telescope (ELT) geplant ist. Seine Mission ist es, Gesteinswelten um nahegelegene Sterne zu finden. Um dies zu erreichen, muss es einen Kontrast von 10⁻⁹ erzielen (etwas zu sehen, das eine Milliarde Mal schwächer ist als der Stern) in bestimmten Abständen. Die große Frage, vor der die Wissenschaftler standen, war: Was ist das beste „Objektiv“, um diese Kamera zu speisen? Sie hatten zwei Hauptkontender: Bildschneider (Image Slicers), die das Bild in Streifen zerlegen und wie ein Puzzle neu anordnen, und Lenslet-Arrays, die ein Gitter aus winzigen Linsen verwenden, um das Bild in viele kleine Punkte aufzubreln. Die falsche Wahl könnte den Unterschied zwischen dem Fund einer neuen Welt und dem Sehen von nichts als statischem Rauschen bedeuten.

Die Forscher der Universität Oxford bauten einen cleveren, modularen Laborteststand, um diese Debatte zu klären. Denken Sie an einen „Windkanal“ für Licht. Anstatt auf ein echtes Teleskop zu warten, schufen sie eine Simulation auf ihrem optischen Tisch. Sie verwendeten eine spezielle Vorrichtung, einen Spatial Light Modulator (SLM), um die chaotische, wackelige Atmosphäre nachzubilden, und einen Lyot-Koronagraphen, um das Licht des „Sterns“ zu blockieren, wobei sie ein perfektes, diffraktionsbegrenztes Bild in ihre beiden konkurrierenden Kameratechnologien einspeisten. Dann maßen sie, wie gut jedes System einen schwachen „Planeten“ neben dem geblockten „Stern“ sehen konnte.

Dies ist ihr Ergebnis. In den Rohdaten, ohne jegliche ausgeklügelte Computertricks, war das Lenslet-Array der Champion in sehr geringen Abständen zum Stern (weniger als 6-mal die Breite des Beugungsmusters des Sterns, oder 6λ/D). Es gelang ihm, tiefer in die Dunkelheit vorzudringen als der Bildschneider in dieser spezifischen Zone. Der Bildschneider besaß jedoch eine Geheimwaffe: Er konnte mit einer Technik namens „Spektraler Dekonvolution“ kombiniert werden. Dies ist wie ein Post-Processing-Zaubertrick, bei dem der Computer die Tatsache nutzt, dass sich das Licht des Planeten über verschiedene Farben hinweg etwas anders verschiebt als das Rauschen des Sterns. Als sie diesen Trick anwandten, schoss der Bildschneider in die Höhe. Er gewann einen massiven Vorteil, insbesondere bei kleinen Abständen. Bei einem Abstand von 4λ/D war der Bildschneider mit spektraler Dekonvolution 3,4 Mal besser darin, den Planeten zu finden, als das Lenslet-Array. Tatsächlich wurde die Leistung des Bildschneiders mit dieser Verarbeitung so gut, dass er die „Rauschuntergrenze“ erreichte – den Punkt, an dem das Einzige, was ihn daran hindert, noch schwächere Objekte zu sehen, das elektronische Rauschen der Kamera ist.

Der Artikel weist sorgfältig darauf hin, dass dies erste Ergebnisse aus einem Laborexperiment sind. Die Tests des Lenslet-Arrays wurden ohne den vollständigen Koronagraphen und die atmosphärische Simulation durchgeführt, die der Bildschneider hatte; ein vollkommen fairer Wettkampf unter identischen extremen Bedingungen steht also noch auf der To-do-Liste. Die Autoren legen nahe, dass das Lenslet-Array zwar gut für weite Ansichten ist, der Bildschneider jedoch in Kombination mit kluger Computerverarbeitung die überlegene Wahl für die schwierigste Aufgabe des ELT-PCS sein könnte: winzige, felsige Planeten direkt neben ihren blendenden Sternen aufzuspüren. Das Team plant, diesen Teststand zum European Southern Observatory zu bringen, um ihn hinter einem echten, zweistufigen adaptiven Optiksystem zu betreiben, um diese Ergebnisse zu bestätigen.