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后Keck时代类地系外行星生命搜索望远镜的设计策略
作者: 发布时间:2017-09-29 阅读次数:

  轻量化的增材技术超材料,加上结合了干涉技术和固定光瞳分块的光学系统,就能通过大型地基望远镜实现潜在的外星生命探测。 

  随着望远镜孔径的直径接近100米,将有可能进行有意义的统计搜索,以寻找附近系外行星上的生命。对大约100颗最靠近地球且在性质上与地球很像的这些所谓的系外行星而言,这类研究将成为可能。例如,随着望远镜直径和日冕灵敏度的增加,针对先进类地生命热特征的探测能力也会提高(见图1)。然而,所有这类光学系统依赖于严格受控子孔径组件内亚波长精度反射元件的布置。目前,世界最大的服役光学设备是用于天文学领域的直径10米以上的KeckGTC天文台。它们的米级和高度细分的主镜已成为目前正在设计或建造的最大光学系统的模板。然而,根据这些设计原理得出,如果这类光学系统直径远超40米,它们可能会变得非常昂贵或者在技术上行不通。Keck时代分块反射镜的质量(和成本)限制是由机械刚度造成的,而机械刚度是维持整个主镜光学表面的波前形状所必需的。 

  通过减少视场,同时利用现场点状光源(比如恒星或激光信标),就有可能使光机系统的移动质量降低一个数量级以上。相应的有源系统也能从信息技术的改进(例如,遵循摩尔定律)中受益。勿庸置疑,这一方法已出现在最新一代射电望远镜中。此外,控制100米级活性结构所必需的计算能力已可用,该能力受大气波前畸变制约。 

  作为Colossus项目的一部分,我们正处于为大型光学系统研发实际解决方案的过程中,在这些光学系统中我们采用不同的设计原理,而不是用于Keck望远镜的设计原理。我们的分层光学解决方案可以有效地以3D打印‘电子刚性’超材料取代由反射镜的刚度产生的质量。通过这种方式,我们能够创建更大的、轻量化的、亚波长尺度且平滑的光学表面。Colossus设计是在望远镜的主镜和次镜光学元件之内测量和控制波前误差,而不是在后聚焦AO中。此外,望远镜的光学支撑结构的材料刚度被放宽,以匹配或超过固有的大规模地面大气诱发的波前误差。通过这些策略我们能够将大型望远镜的净移动质量从2000 kg/m2降低至150kg/m2。该技术还意味着Keck时代望远镜光学元件固有的高度细分与动态反射镜边缘所引起的波前误差可以避免。在我们的Colossus研究中,我们发现实现可扩展的光学设计需要一个离轴抛物面的组合体。对于100米级望远镜的案例,我们采用大约50米的初级光学焦距。此外,我们发现使子孔径直径最大化能降低有源系统总的衍射光散射和复杂度成本。采用直径8米的子孔径,对应的次镜光学元件的跨度只有几厘米,这一跨度小到足以从光学系统的每个离轴亚基对波前进行主动控制。我们的光学快速抛物面光学元件需要一个窄视场,不超过大约20微弧度。采用现有的次镜AO技术,每个子孔径能够在parent Gregorian焦点提供衍射极限波前。对于拥有59个子孔径的Colossus设计,我们演示了怎样将恒星的多色‘散斑’图像用于确定低阶子孔径相位误差(在真实的大气视宁度条件下用相对‘软’的机械结构)。 

 

1. 潜在系外行星生命与望远镜尺寸和日冕对比灵敏度之间的数字关系。横轴以米为单位给出了四个望远镜口径。这些图表对应着在太阳60光年范围内来自先进类地文明的辐射热力的潜在探测结果。这些计算结果的前提条件前文已经详细说明了。 

  虽然Colossus设计中的主光学表面只是分段抛物面,但来自个别离轴抛物面分块的波前是通过小型次镜元件校准的。这意味着在使系统轴上点扩散函数(PSF)最大化的同时,可以有效地使全孔径波前误差最小化。由于子孔径要进行干涉,其相位也能受到控制,以使离轴场点的整个PSF最小化。这种‘暗点’干涉法使望远镜能够直接像日冕仪一样运行(例如,观测明亮中央恒星附近的微弱光源)。我们成功地证明合成暗光斑能比轴上PSF暗淡108倍。 

  通过与动态结构有限公司(设计和建造某些最大望远镜的一个组织)合作,我们生成了详细的75Colossus望远镜概念,该望远镜基于独立的8米离轴子孔径(圆圈),通过小型独立的椭圆形二次光学元件对这些子孔径进行相位修正。通过这些努力我们表明,从传统的磨蚀性抛光光学元件向薄的、有源的、玻璃夹层光学元件发展,就能使总的反射镜质量(包括无源支架)从500kg/m2降低至50kg/m2。这些质量结余使总的望远镜质量和成本下降了大约一个数量级。此外,我们发现尽管属于超薄光学元件,但表面形状校准结果(用现场点光源获得的)可用于维持衍射极限子孔径。 

  总之,作为Colossus项目的一部分,我们正为大型(约100米级)望远镜研发新型光学系统。通过我们的设计原理,能有效地降低建造这类望远镜的质量和成本,并能克服Keck时代仪器的局限性。现在我们处于以经验为主地证明我们的技术‘在空’的过程中,并启动了一个较小的光学系统。例如,Colossus概念正用在PLANETS望远镜中。这是一台正在建造中的薄反射镜1.9米离轴望远镜,用于行星和系外行星研究。它将成为用于天体物理观测的高宽比最大的反射镜。MorphOptic公司还在为Colossus设计的实验室和在空演示建造低质量的有源人工结构材料反射镜。 

  (曹    译自Post-Keck-era telescope design strategies for Earth-like exo-life searchesspie.org2016-07-30 

 
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