Коронограф — это телескопическая насадка , предназначенная для блокировки прямого света от звезды или другого яркого объекта, чтобы можно было различить близлежащие объекты, которые в противном случае были бы скрыты в ярком сиянии объекта. Большинство коронографов предназначены для наблюдения за короной Солнца , но новый класс концептуально схожих инструментов (называемых звездными коронографами, чтобы отличать их от солнечных коронографов ) используется для поиска экзопланет и околозвездных дисков вокруг близлежащих звезд , а также галактик в квазарах и других подобных объектах с активными галактическими ядрами (AGN).
Коронограф был представлен в 1931 году французским астрономом Бернаром Лио ; с тех пор коронографы использовались во многих солнечных обсерваториях . Коронографы, работающие в атмосфере Земли, страдают от рассеянного света в самом небе , в первую очередь из-за рэлеевского рассеяния солнечного света в верхних слоях атмосферы. Под углами обзора, близкими к Солнцу, небо намного ярче фоновой короны даже на больших высотах в ясные сухие дни. Наземные коронографы, такие как коронограф Mark IV Высокогорной обсерватории на вершине Мауна-Лоа , используют поляризацию, чтобы отличить яркость неба от изображения короны: как корональный свет, так и яркость неба являются рассеянным солнечным светом и имеют схожие спектральные свойства, но корональный свет рассеивается Томсоном почти под прямым углом и, следовательно, подвергается рассеивающей поляризации , в то время как наложенный свет от неба вблизи Солнца рассеивается только под скользящим углом и, следовательно, остается почти неполяризованным.
Инструменты коронографа являются экстремальными примерами отсечения рассеянного света и точной фотометрии , поскольку общая яркость солнечной короны составляет менее одной миллионной яркости Солнца. Видимая поверхностная яркость еще слабее, поскольку, помимо того, что корона дает меньше общего света, она имеет гораздо больший видимый размер, чем само Солнце.
Во время полного солнечного затмения Луна действует как заслоняющий диск, и любая камера на пути затмения может работать как коронограф, пока затмение не закончится. Более распространенным является расположение, при котором небо отображается на промежуточной фокальной плоскости , содержащей непрозрачное пятно; эта фокальная плоскость повторно отображается на детекторе. Другое расположение заключается в отображении неба на зеркале с небольшим отверстием: желаемый свет отражается и в конечном итоге повторно отображается, но нежелательный свет от звезды проходит через отверстие и не достигает детектора. В любом случае, конструкция прибора должна учитывать рассеяние и дифракцию , чтобы гарантировать, что как можно меньше нежелательного света достигнет конечного детектора. Ключевым изобретением Лиота было расположение линз с диафрагмами, известными как диафрагмы Лиота , и перегородками таким образом, что свет, рассеянный дифракцией, фокусировался на диафрагмах и перегородках, где он мог поглощаться, в то время как свет, необходимый для полезного изображения, проходил мимо них. [1]
Например, приборы визуализации на космическом телескопе «Хаббл» и космическом телескопе «Джеймс Уэбб» предлагают коронографические возможности.
Коронограф с ограниченной полосой пропускания использует специальный тип маски, называемый маской с ограниченной полосой пропускания . [2] Эта маска предназначена для блокировки света, а также для управления эффектами дифракции, вызванными удалением света. Коронограф с ограниченной полосой пропускания послужил базовой конструкцией для отмененного коронографа Terrestrial Planet Finder . Маски с ограниченной полосой пропускания также будут доступны на космическом телескопе Джеймса Уэбба .
Фазовый коронограф (например, так называемый четырехквадрантный фазовый коронограф) использует прозрачную маску для сдвига фазы звездного света с целью создания саморазрушительной интерференции, а не простой непрозрачный диск для его блокировки.
Оптический вихревой коронограф использует фазовую маску, в которой фазовый сдвиг изменяется азимутально вокруг центра. Существует несколько разновидностей оптических вихревых коронографов:
Это работает с другими звездами, кроме Солнца, поскольку они находятся так далеко, что их свет, для этой цели, является пространственно когерентной плоской волной. Коронограф, использующий интерференцию, маскирует свет вдоль центральной оси телескопа, но пропускает свет от объектов вне оси.
Коронографы в открытом космосе намного эффективнее, чем те же инструменты, которые были бы расположены на земле. Это связано с тем, что полное отсутствие атмосферного рассеяния устраняет самый большой источник бликов, присутствующий в наземном коронографе. Несколько космических миссий, таких как NASA - ESA SOHO , и NASA SPARTAN , Solar Maximum Mission и Skylab , использовали коронографы для изучения внешних границ солнечной короны. Космический телескоп Хаббла (HST) способен выполнять коронографию с использованием камеры ближнего инфракрасного диапазона и многообъектного спектрометра (NICMOS), [5] а космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) способен выполнять коронографию с использованием камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и инструмента среднего инфракрасного диапазона (MIRI).
В то время как космические коронографы, такие как LASCO , избегают проблемы яркости неба, они сталкиваются с проблемами проектирования в управлении рассеянным светом в соответствии со строгими требованиями к размеру и весу космического полета. Любой острый край (например, край затмевающего диска или оптической апертуры) вызывает дифракцию Френеля входящего света вокруг края, что означает, что меньшие инструменты, которые хотелось бы иметь на спутнике, неизбежно пропускают больше света, чем большие. Коронограф LASCO C-3 использует как внешний затмеватель (который отбрасывает тень на инструмент), так и внутренний затмеватель (который блокирует рассеянный свет, дифрагированный Френелем вокруг внешнего затмевателя) для уменьшения этой утечки, а также сложную систему перегородок для устранения рассеяния рассеянного света на внутренних поверхностях самого инструмента.
Aditya-L1 — космический аппарат для коронографии, разработанный Индийской организацией космических исследований (ISRO) и различными индийскими научно-исследовательскими институтами. Целью космического аппарата является изучение солнечной атмосферы и ее влияния на окружающую среду Земли. Он будет расположен примерно в 1,5 млн км от Земли на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L1 между Землей и Солнцем. [6] [7]
Основная полезная нагрузка, Visible Emission Line Coronagraph (VELC), будет отправлять 1440 изображений Солнца ежедневно на наземные станции. Полезная нагрузка VELC была разработана Индийским институтом астрофизики (IIA) и будет непрерывно наблюдать за короной Солнца из точки L1. [7] [8]
Недавно коронограф был адаптирован для решения сложной задачи поиска планет вокруг близлежащих звезд. Хотя звездные и солнечные коронографы схожи по концепции, на практике они существенно различаются, поскольку объект, который необходимо затмить, отличается в миллион раз по линейному видимому размеру. (У Солнца видимый размер составляет около 1900 угловых секунд , тогда как типичная близлежащая звезда может иметь видимый размер 0,0005 и 0,002 угловых секунд.) Для обнаружения экзопланеты земного типа требуется 10−10 контраст. [9] Для достижения такого контраста требуется чрезвычайная оптотермическая стабильность .
Концепция звездного коронографа изучалась для полета в отмененной миссии Terrestrial Planet Finder . На наземных телескопах звездный коронограф может быть объединен с адаптивной оптикой для поиска планет вокруг близлежащих звезд. [10]
В ноябре 2008 года НАСА объявило, что планета была непосредственно обнаружена на орбите близлежащей звезды Фомальгаут . Планета была ясно видна на снимках, полученных коронографом Advanced Camera for Surveys телескопа Хаббл в 2004 и 2006 годах. [11] Темная область, скрытая маской коронографа, видна на снимках, хотя была добавлена яркая точка, чтобы показать, где могла бы находиться звезда.
До 2010 года телескопы могли напрямую получать изображения экзопланет только при исключительных обстоятельствах. В частности, проще получать изображения, когда планета особенно большая (значительно больше Юпитера ), сильно удалена от своей родительской звезды и горячая, так что она испускает интенсивное инфракрасное излучение. Однако в 2010 году группа из Лаборатории реактивного движения НАСА продемонстрировала, что векторный вихревой коронограф может позволить небольшим телескопам напрямую получать изображения планет. [12] Они сделали это, сфотографировав ранее полученные изображения планет HR 8799, используя всего лишь1,5-метровая часть телескопа Хейла .
