Коронограф — это телескопическая насадка, предназначенная для блокировки прямого света звезды или другого яркого объекта, чтобы можно было различить близлежащие объекты, которые в противном случае были бы скрыты в ярком свете объекта. Большинство коронографов предназначены для наблюдения за солнечной короной , но новый класс концептуально подобных инструментов (называемых звездными коронографами , чтобы отличить их от солнечных коронографов ) используется для поиска внесолнечных планет и околозвездных дисков вокруг близлежащих звезд, а также родительских галактик в космосе. квазары и другие подобные объекты с активными галактическими ядрами (АЯГ).
Коронограф был представлен в 1931 году французским астрономом Бернаром Лио ; с тех пор коронографы стали использовать во многих солнечных обсерваториях . Коронографы, работающие в атмосфере Земли, страдают от рассеянного света в самом небе , главным образом 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 и сухие дни. Наземные коронографы, такие как коронограф Mark IV Высотной обсерватории на вершине Мауна-Лоа , используют поляризацию , чтобы отличить яркость неба от изображения короны: и корональный свет, и яркость неба представляют собой рассеянный солнечный свет и имеют схожие спектральные свойства. но корональный свет рассеивается по Томсону почти под прямым углом и, следовательно, подвергается поляризации рассеяния , в то время как наложенный свет с неба вблизи Солнца рассеивается только под углом скольжения и, следовательно, остается почти неполяризованным.
Приборы-коронографы являются крайними примерами подавления рассеянного света и точной фотометрии , поскольку общая яркость солнечной короны составляет менее одной миллионной яркости Солнца. Видимая поверхностная яркость еще слабее, поскольку корона не только излучает меньше света, но и 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 вариант, при котором небо отображается в промежуточной фокальной плоскости , содержащей непрозрачное пятно; эта фокальная плоскость повторно отображается на детекторе. Другой вариант заключается в отображении неба на зеркале с небольшим отверстием: желаемый свет отражается и в конечном итоге перерисовывается, но нежелательный свет 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 Лио было расположение линз с упорами, известными как стопы Лио , и перегородками, в которых свет, рассеянный дифракцией, фокусировался на упорах и перегородках, где он мог быть поглощен, в то время как свет, необходимый для полезного изображения, пропускал их. [1]
Например, инструменты визуализации на космическом телескопе Хаббл и космическом телескопе Джеймса Уэбба предлагают коронографические возможности.
Коронограф с ограниченной полосой пропускания использует специальный вид маски, называемый маской с ограниченной полосой пропускания . [2] Эта маска предназначена для блокировки света, а также для устранения эффектов дифракции, вызванных удалением света. Коронограф с ограниченным диапазоном частот послужил базовой конструкцией для отмененного коронографа Terrestrial Planet Finder . Маски с ограниченным диапазоном частот также будут доступны на космическом телескопе Джеймса Уэбба .
Коронограф с фазовой маской (например, так называемый четырехквадрантный коронограф с фазовой маской) использует прозрачную маску для сдвига фазы звездного света с целью создания саморазрушающей интерференции, а не простой непрозрачный диск для блокировки это.
Оптический вихревой коронограф использует фазовую маску, в которой фазовый сдвиг меняется по азимуту вокруг центра. Существует несколько разновидностей оптических вихревых коронографов:
Это работает со звездами, отличными от Солнца, потому что они находятся так далеко, что их свет для этой цели представляет собой пространственно когерентную плоскую волну. Коронограф с помощью интерференции маскирует свет вдоль центральной оси телескопа, но пропускает свет от объектов, находящихся вне оси.
Коронографы в космическом пространстве гораздо более эффективны, чем те же инструменты, если бы они были расположены на земле. Это связано с тем, что полное отсутствие атмосферного рассеяния устраняет самый крупный источник бликов, присутствующий в земном коронографе. Несколько космических миссий, таких как NASA – SOHO ЕКА , SPARTAN НАСА, Solar Maximum Mission и Skylab , использовали коронографы для изучения внешних пределов 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) может выполнять коронографию с использованием камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) . ) и инструмент среднего инфракрасного диапазона (MIRI).
Хотя космические коронографы, такие как LASCO , избегают проблемы яркости неба, они сталкиваются с проблемами проектирования, связанными с управлением рассеянным светом в условиях жестких требований к размеру и весу космических полетов. Любой острый край (например, край затмевающего диска или оптической апертуры) вызывает дифракцию Френеля падающего света вокруг края, а это означает, что меньшие инструменты, которые можно было бы использовать на спутнике, неизбежно пропускают больше света, чем более крупные. Коронограф LASCO C-3 использует как внешний затемнитель (который отбрасывает тень на инструмент), так и внутренний затемнитель (который блокирует рассеянный свет, дифрагированный Френелем вокруг внешнего затемнителя), чтобы уменьшить эту утечку, а также сложную систему перегородок для предотвращения утечки. исключить постороннее рассеяние света на внутренних поверхностях самого прибора.
Aditya-L1 — космический аппарат для коронографии, разработанный Индийской организацией космических исследований (ISRO) и различными индийскими исследовательскими институтами. Целью космического корабля является изучение солнечной атмосферы и ее влияния на окружающую среду Земли. Он будет расположен примерно в 1,5 миллионах километров от Земли на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L1 между Землей и Солнцем. [6] [7]
Основная полезная нагрузка — коронограф видимых линий излучения (VELC) — будет ежедневно отправлять на наземные станции 1440 изображений Солнца. Полезная нагрузка VELC была разработана Индийским институтом астрофизики (IIA) и будет непрерывно наблюдать за солнечной короной из точки L1. [7] [8]
В миссии действуют строгие протоколы чистоты, включая запрет на использование духов и спреев учеными и инженерами, работающими над полезной нагрузкой, чтобы предотвратить загрязнение, которое может повлиять на чувствительные инструменты. [8]
Коронограф недавно был адаптирован для решения сложной задачи поиска планет вокруг близлежащих звезд. Хотя звездные и солнечные коронографы схожи по своей концепции, на практике они сильно различаются, поскольку затмеваемый объект различается в миллион раз по линейному видимому размеру. (Видимый размер Солнца составляет около 1900 угловых секунд , в то время как типичная близлежащая звезда может иметь видимый размер 0,0005 и 0,002 угловых секунды.) Для обнаружения экзопланеты, похожей на Землю, требуется 10 угловых секунд.−10 контрастности. [9] Для достижения такого контраста необходима исключительная оптотермическая стабильность .
Концепция звездного коронографа изучалась для полета в рамках отмененной миссии Terrestrial Planet Finder . На наземных телескопах звездный коронограф можно комбинировать с адаптивной оптикой для поиска планет вокруг близлежащих звезд. [10]
В ноябре 2008 года НАСА объявило, что непосредственно наблюдалась планета, вращающаяся вокруг соседней звезды Фомальгаут . Планету можно было ясно увидеть на изображениях, сделанных коронографом усовершенствованной камеры для обзоров Хаббла в 2004 и 2006 годах. [11] На изображениях можно увидеть темную область, скрытую маской коронографа, хотя была добавлена яркая точка, чтобы показать, где звезда была бы.
До 2010 года телескопы могли напрямую отображать экзопланеты только в исключительных обстоятельствах. В частности, изображения легче получать, когда планета особенно велика (значительно больше Юпитера ), далеко удалена от родительской звезды и горячая настолько, что излучает 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, получив изображения ранее полученных изображений планет HR 8799 , используя всего лишьЧасть телескопа Хейла диаметром 1,5 м .
