课题来源于中国科学院国际伙伴计划对外重点合作项目。系外行星成像直接探测来自行星的信号,能够刻画行星大气特征,是确认系外生命信号的关键。本项目将针对4米级口径望远镜,对前期合作发展的便携式自适应光学技术（PAO）进行升级,采用277单元可变形镜（DM）,发展出优化用于系外行星成像的“超级”自适应光学系统（Ex-AO）。在Ex-AO系统之后,集成高对比度成像星冕仪和偏振差分成像系统,最终研发出一套用于地基4米口径望远镜的系外行星成像系统,并结合独特的图像旋转相减数据处理技术（IRS）,系统实验成像对比度优于10-7。项目通过与美方合作,能够使用4米口径望远镜观测时间和覆盖整个H和K波段的红外科学相机,这将突破我国现有光学红外望远镜的口径限制和红外天文观测的瓶颈。该系统能够充分利用中小口径望远镜的优势,在红外波段提供超过国际8米望远镜行星成像系统实测性能;并在短波段提供8米口径望远镜难以实现的校正像质,进而首次开展全年龄段系外行星的科学观测和研究。该研究一方面能够提高现有系外行星成像观测效率,进一步丰富行星观测样本,对系外行星形成和演化理论提供重要观测证据,以进一步确保我国在系外行星成像领域的领先地位。另一方面,该项目还将打开研究系外行星大气光谱的窗口,用以研究行星大气的精确组成,对搜寻和确认系外生命特征信号具有重要意义,有望最终解答“人类在宇宙中是否孤独？”这一基本科学问题。本项目在系外行星地基天文成像关键技术及实测研究方面取得了创新性的研究成果：1. 本项目研制出超级自适应光学ExAO系统,首次优化用于中小口径望远镜,校正斯特列尔比达到0.997,实测性能超过10米Keck望远镜AO;研发出高对比度星冕仪实验系统,成像对比度达到10-6~10-7;研发出偏振成像实验系统,测量精度达到10-3量级,成像对比度增益高达1000倍;超高对比度成像系统实验对比度优于10-9;成功研制地基系外行星成像仪,用于国际4米口径望远镜,实测对比度在0.5″处达到10-6,该结果达到国际先进水平,先后观测到κ And b系外行星以及HD1160 B/C,HD130948 B/C褐矮双星系统等。开发出行星数据处理软件和物理特性分析软件,图像信噪比优于8σ。系外行星成像星冕仪确定为中国空间站光学舱科学载荷,将首次成像探测围绕类太阳光谱恒星成熟系外行星系统,包括超级地球。该研究结果填补了我国在系外行星成像领域的空白,并使得我国在行星成像探测核心技术和科学观测两方面达到国际先进水平。为我国计划建造的12米光学红外望远镜开展系外行星成像观测和科学研究奠定重要基础,并推动我国未来空间搜寻系外类地行星和生命特征信号计划。2. 本项目对院科技创新在“促原创、补短板、强能力、扩影响”方面起到关键作用,解决了国际中等口径望远镜不具备AO难以进行系外行星成像观测的难题。先后合作申请和使用美国APO天文台3.5米ARC、帕洛玛天文台5.2米Hale以及McDonald天文台2.7米HJS望远镜,使得我国在系外行星成像探测领域取得突破。合作研发出超高对比度成像实验系统,首次在大区域内获得10-9,达到国际领先水平。上述重要研究进展,推动中国载人空间站系外行星成像星冕仪最终立项,将首次用于成像探测围绕类太阳恒星的成熟系外行星。3. 本项目合作研制出世界首套用于4米口径望远镜行星成像仪,集成星冕仪和偏振技术之后实验成像对比度优于10-9;合作使用美国望远镜总计40观测夜,探测发现多颗系外行星、褐矮星及候选体,推动我国行星科学研究。先后使用美国NIRVANA近红外成像相机和覆盖K波段（2.2μm）的红外相机。基于上述重要研究进展,获得国家自然科学基金重大仪器项目资助,并获得位于西班牙3.5米TNG望远镜观测时间,进一步推动我国在系外行星地基成像作重要贡献。4. 本项目建立了一支高对比度技术和系外行星观测的团队,与美国和台湾系外行星领域专家建立稳定的合作关系。培养青年学术带头人4名,博士后2名,博士生6名,硕士生7名; 4人以访问学者/博士后赴美国开展技术合作。项目负责人入选中科院青年创新促进会优秀会员,院创新交叉团队,并被聘为“全国空间科学及其应用标准化技术委员会空间天文学工作组”,江苏省杰出青年岗位能手,光学学会理事,天文学会监事。项目组3名成员先后晋升副研究员,5名成员入选研究所青年创新促进会,2名成员获得了“空间科学”第二期先导专项的资助。5. 本项目在执行期间,在ApJ,PASP,RAA等天文重要刊物发表论文14篇。多次参加国内外学术交流,先后做大会、特邀报告等超过35次;先后入选中科院青年创新促进会优秀会员,中国科学院创新交叉团队,江苏省杰出青年岗位能手荣誉等。培养了青年学术带头人4名,博士后2名,博士生6名,硕士生7名。
黄教授
