Введение
Коронаграф – телескопическое приспособление, предназначенное для блокирования прямого света от звезды или другого яркого объекта, чтобы можно было различить находящиеся поблизости объекты, которые в противном случае были бы невидимы в ярком свечении этого объекта. Большинство коронографов предназначены для наблюдения короны Солнца, однако новый класс концептуально схожих инструментов (называемых звездными коронографами, в отличие от солнечных коронографов) используется для обнаружения экзопланет и околозвездных дисков вокруг ближайших звезд, а также галактик-хозяев квазаров и других подобных объектов с активными галактическими ядрами (AGN).
A coronagraph is a telescopic attachment designed to block out the direct light from a star or other bright object so that nearby objects – which otherwise would be hidden in the object's bright glare – can be resolved. Most coronagraphs are intended to view the corona of the Sun, but a new class of conceptually similar instruments (called stellar coronagraphs to distinguish them from solar coronagraphs) are being used to find extrasolar planets and circumstellar disks around nearby stars as well as host galaxies in quasars and other similar objects with active galactic nuclei (AGN).
Изобретение
Коронограф был разработан в 1931 году французским астрономом Бернардом Льотом; с тех пор коронографы используются на многих солнечных обсерваториях. Коронографы, работающие в атмосфере Земли, испытывают влияние рассеянного света, исходящего от самого неба, главным образом из-за рэлеевского рассеяния солнечного света в верхних слоях атмосферы. При углах обзора, близких к Солнцу, небо значительно ярче фоновой короны даже на высокогорных площадках в ясную сухую погоду. Наземные коронографы, такие как коронограф Mark IV, расположенный на вершине Мауна-Лоа, используют поляризацию для отделения яркости неба от изображения короны: и корональный свет, и яркость неба являются рассеянным солнечным светом и обладают схожими спектральными характеристиками, но корональный свет рассеивается почти под прямым углом и, следовательно, подвергается поляризации при рассеянии, в то время как наложенный свет от неба вблизи Солнца рассеивается лишь под скользящим углом и, соответственно, остаётся практически неполяризованным.
Дизайн
Коронаграфы являются экстремальными примерами подавления паразитного света и точной фотометрии, поскольку общая яркость солнечной короны менее одной миллионной яркости Солнца. Кажущаяся поверхностная яркость еще слабее, так как, помимо меньшей общей освещенности, корона имеет значительно больший угловой размер, чем само Солнце. Во время полного солнечного затмения Луна выполняет роль окклюдирующего диска, и любая камера в полосе затмения может функционировать как коронограф до окончания затмения. Более распространенной является конструкция, в которой изображение неба проецируется на промежуточную фокальную плоскость, содержащую непрозрачное пятно; эта плоскость затем перефокусируется на детектор. Другой вариант – проецирование изображения неба на зеркало с небольшим отверстием: нужный свет отражается и в конечном итоге фокусируется, а нежелательный свет от звезды проходит сквозь отверстие и не достигает детектора. В любом случае, конструкция прибора должна учитывать рассеяние и дифракцию, чтобы минимизировать попадание нежелательного света на конечный детектор. Ключевым изобретением Льота стала система линз с диафрагмами, известными как диафрагмы Льота, и светозащитными экранами, обеспечивающая фокусировку света, рассеянного дифракцией, на диафрагмах и экранах для его поглощения, в то время как свет, необходимый для получения полезного изображения, проходил мимо них. В качестве примеров, приборы визуализации на космическом телескопе Хаббл и космическом телескопе Джеймса Уэбба обладают коронографическими возможностями.
Коронаграфа с ограниченным диапазоном
Коронограф с ограниченной полосой использует специальный тип маски, называемый маской с ограниченной полосой пропускания. Эта маска разработана для блокировки света и управления дифракционными эффектами, возникающими при его подавлении. Коронограф с ограниченной полосой служил базовой конструкцией для отмененного коронографа Terrestrial Planet Finder. Маски с ограниченной полосой пропускания также будут установлены на космическом телескопе Джеймса Уэбба.
Фазовый коронограф
Коронаграф с фазовой маской (например, так называемый четырехквадрантный коронограф с фазовой маской) использует прозрачную маску для сдвига фазы звездного света, создавая тем самым самогасящую интерференцию, а не просто непрозрачный диск для его блокировки.
Оптический коронограф вихревой
В оптическом вихревом коронографе используется фазовая маска, в которой фазовый сдвиг изменяется по азимуту относительно центра. Существует несколько типов оптических вихревых коронографов: скалярный оптический вихревой коронограф, основанный на фазовом пандусе, непосредственно нанесенном на диэлектрический материал, например, на плавленый кварц. Векторный вихревой коронограф использует маску, которая вращает угол поляризации фотонов, и изменение этого угла вращения эквивалентно изменению фазового сдвига. Маску такого типа можно создавать различными технологиями, от полимеров жидких кристаллов (технология, используемая в 3D-телевидении) до микроструктурированных поверхностей (с использованием технологий микропроизводства из микроэлектронной промышленности). Такой векторный вихревой коронограф, изготовленный из полимеров жидких кристаллов, в настоящее время используется на 200-дюймовом телескопе Хейла в Паломарской обсерватории. Недавно он был оснащен адаптивной оптикой для получения изображений экзопланет. Это работает с другими звездами, кроме Солнца, поскольку из-за их огромного расстояния их свет для этих целей можно считать пространственно когерентной плоской волной. Коронограф, использующий интерференцию, блокирует свет вдоль центральной оси телескопа, но пропускает свет от объектов, находящихся вне оси.
the scalar optical vortex coronagraph based on a phase ramp directly etched in a dielectric material, like fused silica. the vector(ial) vortex coronagraph employs a mask that rotates the angle of polarization of photons, and ramping this angle of rotation has the same effect as ramping a phase shift. A mask of this kind can be synthesized by various technologies, ranging from liquid crystal polymer (same technology as in 3D television), and micro structured surfaces (using microfabrication technologies from the microelectronics industry). Such a vector vortex coronagraph made out of liquid crystal polymers is currently in use at the 200 inch Hale telescope at the Palomar Observatory. It has recently been operated with adaptive optics to image extrasolar planets. This works with stars other than the sun because they are so far away their light is, for this purpose, a spatially coherent plane wave. The coronagraph using interference masks out the light along the center axis of the telescope, but allows the light from off axis objects through.
Коронаграфы на спутниковой основе
Коронографы в космосе гораздо эффективнее, чем аналогичные приборы, размещенные на Земле. Это обусловлено полным отсутствием атмосферного рассеяния, которое устраняет главный источник паразитного света в наземных коронографах. Ряд космических миссий, таких как SOHO (NASA ESA), SPARTAN, Solar Maximum Mission и Skylab, использовали коронографы для изучения внешних областей солнечной короны. Космический телескоп Хаббл (HST) способен выполнять коронографию с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона и многообъектного спектрометра (NICMOS), а космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) – с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI). Хотя космические коронографы, такие как LASCO, решают проблему яркости неба, они сталкиваются с трудностями при проектировании систем подавления паразитного света в условиях строгих ограничений по размерам и весу, предъявляемых к космическим аппаратам. Любой острый край (например, край окклюдирующего диска или оптического отверстия) вызывает дифракцию Френеля входящего света, что означает, что более компактные приборы, необходимые для установки на спутник, неизбежно пропускают больше света, чем приборы большего размера. Коронограф LASCO C3 использует как внешний окклюдер (создающий тень на прибор), так и внутренний окклюдер (блокирующий паразитный свет, возникающий в результате дифракции Френеля вокруг внешнего окклюдера), а также сложную систему перегородок для устранения рассеяния света на внутренних поверхностях самого прибора, чтобы уменьшить эту утечку.
Адития-Л1
Адитья L1 — это космический аппарат-коронограф, разработанный Индийской организацией космических исследований (ISRO) и различными индийскими исследовательскими институтами. Космический аппарат предназначен для изучения солнечной атмосферы и её влияния на околоземное пространство. Он будет размещён примерно в 1,5 миллионах километров от Земли на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L1 между Землёй и Солнцем. Основной полезный груз — Видимый коронограф линии излучения (VELC) — будет ежедневно передавать 1440 изображений Солнца на наземные станции. VELC разработан Индийским институтом астрофизики (IIA) и будет непрерывно наблюдать за короной Солнца из точки L1. Миссия предусматривает строгие протоколы чистоты, включая запрет на использование духов и спреев учёными и инженерами, работающими с полезным грузом, чтобы предотвратить загрязнение, которое может повлиять на чувствительные приборы. Для достижения такой контрастности требуется экстремальная оптотермическая стабильность. Концепция звёздного коронографа рассматривалась для полёта в рамках отменённой миссии Terrestrial Planet Finder. На наземных телескопах звёздный коронограф можно комбинировать с адаптивной оптикой для поиска планет вокруг близлежащих звёзд. В ноябре 2008 года NASA объявило о прямом наблюдении планеты, вращающейся вокруг ближайшей звезды Фомалхаут. Планета была чётко видна на снимках, сделанных коронографом "Advanced Camera for Surveys" космического телескопа Хаббла в 2004 и 2006 годах. Тёмная область, скрытая маской коронографа, видна на изображениях, хотя яркая точка добавлена, чтобы показать, где находилась звезда. До 2010 года телескопы могли получать прямые изображения экзопланет только в исключительных случаях. В частности, получение изображений облегчается, когда планета особенно велика (значительно больше Юпитера), находится на большом расстоянии от своей звезды и горяча, излучая интенсивное инфракрасное излучение. Однако в 2010 году команда из Лаборатории реактивного движения NASA продемонстрировала, что коронограф векторного вихря может позволить небольшим телескопам напрямую получать изображения планет. Они сделали это, сняв ранее зафиксированные планеты HR 8799, используя лишь 1,5-метровую часть телескопа Хейла.