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

Stel je voor dat je een foto probeert te maken van een piepkleine, gloeiende vuurvlieg die op de rand van een enorme, verblindend heldere spotlight zit. De vuurvlieg is jouw exoplaneet, en de spotlight is de moederster. In de wereld van de astronomie is dit de ultieme uitdaging: directe beeldvorming. De ster is zo overweldigend helder dat het zwakke licht van de planeet wegspoelt, waardoor de planeet onzichtbaar wordt voor standaard camera's. Om dit op te lossen, gebruiken astronomen speciale "zonnebrillen" genaamd coronagrafen om de schittering van de ster te blokkeren, en super-scherpe "brillen" genaamd adaptieve optica om de vervaging door de aardatmosfeer te corrigeren. Maar zelfs met deze hulpmiddelen blijft de planeet in de schaduw verscholen. Om de planeet te zien, heb je een camera nodig die het licht kan splitsen in een regenboog (spectroscopie) om de atmosfeer van de planeet te analyseren, maar dit te doen zonder het delicate contrast te verliezen dat nodig is om de planeet te spotten, is als het proberen te vangen van een fluistering in een orkaan.

Hier komt het verhaal van het ELT-PCS-instrument om de hoek kijken. De Planetary Camera and Spectrograph (ELT-PCS) is een toekomstige supercamera die gepland is voor de 39 meter brede Extremely Large Telescope (ELT). De missie is om rotsachtige werelden rond nabijgelegen sterren te vinden. Om dit te bereiken, moet het een contrast van 10⁻⁹ kunnen bereiken (iets zien dat een miljard keer zwakker is dan de ster) op bepaalde afstanden. De grote vraag waarmee de wetenschappers werden geconfronteerd, was: wat is de beste "lens" om deze camera te voeden? Ze hadden twee belangrijke kanshebbers: Image Slicers (die het beeld in stroken hakken en ze als een puzzel opnieuw rangschikken) en Lenslet Arrays (die een raster van minuscule lenzen gebruiken om het beeld in veel kleine stipjes te breken). De verkeerde keuze maken zou het verschil kunnen betekenen tussen het vinden van een nieuwe wereld en het zien van niets anders dan statische ruis.

De onderzoekers aan de Universiteit van Oxford bouwden een slimme, modulaire laboratoriumtestbank om dit debat te beslechten. Denk aan een "windtunnel" voor licht. In plaats van te wachten op een echte telescoop, creëerden ze een simulatie op hun optische tafel. Ze gebruikten een speciaal apparaat genaamd een Spatial Light Modulator (SLM) om de rommelige, wiebelende atmosfeer na te bootsen en een Lyot-coronagraaf om het licht van de "ster" te blokkeren, waarbij ze een perfect, diffractie-gelimiteerd beeld in hun twee concurrerende cameratechnologieën voedden. Vervolgens maten ze hoe goed elk systeem een zwakke "planeet" naast de geblokkeerde "ster" kon zien.

Dit is wat ze vonden. In de ruwe data, zonder enige fancy computertrucs, was de Lenslet Array de kampioen op zeer korte afstanden tot de ster (minder dan 6 keer de breedte van het diffractiepatroon van de ster, of 6λ/D). Het slaagde erin dieper in de duisternis te graven dan de Image Slicer in dit specifieke gebied. De Image Slicer had echter een geheim wapen: het kon gekoppeld worden aan een techniek genaamd "spectrale deconvolutie". Dit is als een post-processing magische truc waarbij de computer gebruikmaakt van het feit dat het licht van de planeet over verschillende kleuren net iets anders verschuift dan de ruis van de ster. Wanneer ze deze truc toepasten, schoot de Image Slicer omhoog. Het verkreeg een enorme voorsprong, vooral bij kleine scheidingen. Op een afstand van 4λ/D was de Image Slicer met spectrale deconvolutie 3,4 keer beter in het vinden van de planeet dan de Lenslet Array. Sterker nog, met deze verwerking werd de prestatie van de Image Sager zo goed dat het de "ruisvloer" bereikte—het punt waarop de enige beperking voor het zien van nóg zwakkere objecten de elektronische ruis van de camera zelf is.

Het artikel merkt zorgvuldig op dat dit de eerste resultaten zijn uit een laboratoriumexperiment. De tests voor de Lenslet Array werden uitgevoerd zonder de volledere coronagraaf en de atmosferische simulatie die de Image Slicer wel had, dus een perfect eerlijke, head-to-head race onder identieke extreme omstandigheden staat nog op de planning. De auteurs suggereren dat, hoewel de Lenslet Array geweldig is voor brede uitzichten, de Image Slicer, wanneer gecombineerd met slimme computerverwerking, de superieure keuze zou kunnen zijn voor de moeilijkste taak van de ELT-PCS: het spotten van kleine, rotsachtige planeten vlak naast hun verblindende sterren. Het team is van plan deze testbank naar het European Southern Observatory te brengen om deze resultaten te testen achter een echt, twee-traps adaptief optica-systeem om deze bevindingen te bevestigen.