黑暗仪器能遮挡恒星并显现行星，将比恒星暗1亿倍

在过去几十年对太阳系以外行星的搜寻发现数千颗候选星。其中大部分是气态巨行星，它们的大小从超级木星到海王星大小的行星不等。然而一些也被认定为“类地行星”，这意味着在各自区域内都是岩石和轨道。不幸的是，由于天文学家无法直接研究这些行星，所以很难确定它们表面的情况。幸运的是由加州大学圣芭芭拉分校的物理学家本杰明·马津领导的一个国际小组开发了一种名为“黑暗”的新仪器。

由一个国际研究小组开发的新黑暗照相机将使天文学家直接研究附近的太阳系外行星。图片：Stanford/SRL

这种超导照相机是世界上最大、最精密的，它将使天文学家探测附近恒星周围的行星。该研究小组的研究详细描述了他们的仪器，标题为“黑暗:微波动力电感探测器积分场光谱仪，用于高对比度天文学”，最近发表在太平洋天文学会的出版物上。该研究小组由美国加州大学旧金山分校实验物理学教授本杰明·马津(Benjamin Mazin)领导，还包括美国宇航局喷气推进实验室、加州理工学院、费米国家加速器实验室和多所大学的成员。

从本质上讲，由于恒星的干扰，科学家们很难直接研究系外行星。正如Mazin在最近一次UCSB新闻发布会上解释的那样：拍摄一颗系外行星的照片是极具挑战性，因为恒星比行星亮得多，而且行星离恒星非常近。因此，天文学家通常无法分析行星大气中反射的光，以确定其组成。这些研究将有助于进一步限制一个行星是否适合居住。

黑暗仪器是世界上最先进的照相机，它能探测到最近恒星周围的行星。图片：UCSB

目前，科学家们被迫决定一个行星是否能够根据其大小、质量和距离来维持生命。此外，已经进行了研究，以确定水是否存在于行星表面，其基础是大气如何失去氢到空间。暗斑近红外能量分辨超导分光光度计(aka)。黑暗)，第一个10000像素的积分场摄谱仪，试图修正这个。

结合大型望远镜和自适应光学，它使用微波动力电感探测器来快速测量来自遥远恒星的光，然后将信号发送回一个可以形成新的形状的橡胶镜，每秒2000次。MKIDs允许天文学家确定单个光子的能量和到达时间，这在区分行星与散射或折射光时非常重要。这一过程也消除了阅读噪音和暗电流——其他仪器的主要误差来源——并通过抑制星光来消除大气的畸变。

UCSB的物理学家Ben Mazin领导了黑暗相机的开发。图片：Sonia Fernandez

马津和他的同事们多年来一直在探索MKIDs技术，他们通过马自达实验室，这是UCSB物理系的一部分。Mazin解释说：这项技术将降低对比度，这样我们就能探测到较弱的行星。希望接近光子噪声的极限，这将使我们的对比度接近10-8，使我们看到行星比恒星弱1亿倍。在这些对比的层面上，可以看到一些行星的反射光，这开启了一个全新的行星领域探索。真正令人兴奋的是，这是下一代望远镜的技术开拓者。

黑暗现在在加利福尼亚圣地亚哥附近的帕洛玛天文台的200英寸的Hale望远镜上运行，它是PALM-3000极端自适应光学系统的一部分，是恒星双日冕仪的一部分。在过去一年半的时间里，该团队用黑暗摄像机进行了四次测试，以测试其对比度，并确保其工作正常。

今年5月，该小组将返回收集附近行星的更多数据，并展示他们的进展。如果一切顺利，黑暗将成为许多相机设计的第一个在附近的m型(红矮星)行星上成像的相机，这是近年来许多岩石行星被发现的地方。最著名的例子是Proxima b，它围绕最近的恒星系统运行到我们自己的星系——银河系(比邻星大约4.25光年远)。

帕洛玛天文台，黑暗仪器安装中…图片：IPTF/Palomar Observatory

马津说：希望有一天，能够为夏威夷岛或拉帕尔马岛的莫纳克亚(Mauna Kea)的30米望远镜建造一个仪器，这样就能在附近的低质量恒星的宜居区拍摄行星的照片，并在它们的大气中寻找生命。这是一个长期目标，这是朝着这个目标迈出的重要一步。除了研究附近的岩石行星，这项技术还将允许天文学家更详细地研究脉冲星，并确定数十亿星系的红移，从而更精确地测量宇宙膨胀的速度。

反过来，这将使我们更详细地研究宇宙是如何随时间演化的，以及暗能量所扮演的角色。这些和其他技术，如美国宇航局的“星影”宇宙飞船和斯坦福大学的mDot occulter，将在未来几年彻底改变系外行星的研究。与下一代望远镜配对——如詹姆斯韦伯太空望远镜和最近发射的“外行星观测卫星”(TESS)——天文学家不仅能够发现更多的系外行星，而且还能像以前一样对它们进行描述。

博科园-科学科普｜文：Matt Williams｜来自：Universe Today｜参考：UC Santa Barbara, Publications of the Astronomy Society of the Pacific