光子灯笼技术突破：为寻找宜居系外行星铺路

从哲学问题到工程挑战

“我们在宇宙中是否孤独？”这个问题曾长期停留在哲学思辨层面。但如今，对于NASA拟议中的宜居世界天文台（HWO）的科学家们而言，它正迅速转化为一个具体的工程难题。中佛罗里达大学（UCF）光学与光子学学院（CREOL）的研究人员正在开发一项名为PEEPSS（光子学赋能系外行星光谱系统）的关键技术，旨在帮助未来空间望远镜直接探测那些隐藏在母星刺眼光芒中的潜在宜居行星。

这项工作的核心目标是让天文学家能够直接观测到位于恒星宜居带内的类地行星。然而，这些行星距离其母星非常近，而母星的亮度通常是行星的100亿倍以上。项目首席研究员斯蒂芬·艾肯伯里教授打了个比方：这就像有人用强光手电筒直射你的眼睛，而你却要从中分辨出一盏微弱的闪烁小灯。

攻克天文学最棘手的问题之一

天文学家已经知道行星在宇宙中普遍存在，但真正的挑战在于如何找出那些与地球类似、且极其暗淡的行星。目前，天文望远镜通常使用日冕仪来遮挡恒星的光芒，让微弱行星信号得以进入探测器。但即便如此，望远镜光学系统中微小的瑕疵仍会导致大量星光泄漏。

“泄漏的星光哪怕只有百万分之一，”艾肯伯里说，“但猜猜看？百万分之一仍然比你的系外行星亮一万倍。你根本无计可施。”PEEPSS系统正是为了解决这一问题而设计。它执行一种先进的波前传感技术，能够检测并纠正入射光中微小的扭曲，防止这些扭曲在到达探测器前淹没行星信号。

与许多现有系统在光学路径早期监测光线不同，PEEPSS直接在望远镜的焦平面（即科学成像发生的同一位置）进行波前传感。这一区别至关重要，因为它使研究人员能够检测并纠正光线经过日冕仪后出现的“非共路像差”。艾肯伯里用房屋清洁来比喻：你看到有人走进卧室，却看不到卧室内部——这就是非共路路径。通过监控整个光路直至焦平面，PEEPSS有望让未来天文台达到探测宜居世界所需的惊人精度。

光子灯笼：全新的技术路径

PEEPSS项目的核心技术是一种名为“光子灯笼”的新兴器件。这种设备能将复杂的入射光分离成独立的光学通道，从而让研究人员不仅恢复光的强度信息，还能恢复光波携带的相位信息——而传统成像系统通常会丢弃这些数据。

“传统探测器会抹掉这些信息，”艾肯伯里说，“光子灯笼则让我们能够重新获取它们。”这些额外的相位信息还开启了“量子启发成像”的可能性，这是一种利用光的行为来提升图像分辨率并过滤残余星光的新兴技术。

目前，CREOL已成为快速发展的天体光子学领域的主要贡献者之一。该领域融合了天文学、光纤技术和先进光子学。艾肯伯里指出，全球真正在光子灯笼领域做前沿工作的主要中心只有两个：他们和澳大利亚悉尼大学。

多方协作与初步测试

该项目汇集了来自UCF、加州大学圣克鲁兹分校、悉尼大学以及太空望远镜科学研究所的合作伙伴。在UCF，研究生吉纳维芙·马克斯以及研究员罗德里戈·阿梅斯夸·科雷亚、米格尔·班德雷斯和何塞·恩里克·安东尼奥·洛佩斯等人共同参与了工作，其中后三者的光纤与光子学专长促成了本次合作。

目前的PEEPSS项目是一个为期三年的计划，重点是在实验室和望远镜环境中构建并测试光子灯笼原型系统。部分版本的技术已经通过与美国空军研究实验室及国际研究伙伴的合作，在夏威夷的望远镜上进行了测试。

展望宜居世界

研究人员最终希望这项技术能够成为未来NASA搜寻系外宜居行星任务的一部分。艾肯伯里表示：“如果我们能识别出其他恒星周围的宜居世界，并证明它们具备地球生命可以生存的条件，那已经是革命性的了。如果我们发现真正的生命证据，那将是人类历史上最伟大的科学发现之一。”

他认为人类正接近一个历史性的转折点。“我们距离目标只差一个任务，”他说。如果未来的观测成功，人类或许将不再只是猜测宇宙中是否存在其他生命，而是“抬头仰望，便知答案”。

项目关键要素

• PEEPSS系统：光子学赋能系外行星光谱系统，通过焦平面波前传感实现极高对比度。
• 光子灯笼：分离光的强度与相位信息，使量子启发成像成为可能。
• 非共路像差校正：解决光线经过日冕仪后产生的额外畸变问题。
• 目标：为NASA的宜居世界天文台（HWO）提供技术支撑，直接探测类地系外行星大气中的生命信号。

原标题：Researchers advance tech that could help scientists detect habitable worlds beyond our solar system。 来源：phys.org。

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