直接成像法探测系外行星

由于不同系外行星探测方法所基于的物理原理不同，所得系外行星样本的统计性质存在明显的观测偏差（detection bias）。例如，在目前的两种主流探测方法中，视向速度法往往更容易发现轨道半长径较小（因而偏短周期）、质量较大、侧向轨道（edge-on）的行星，这一特性也能从视向速度法的多普勒振幅表达式中得出；凌星法则是在一定观测时间内探测呈现周期性变化特性的恒星光变曲线，以此作为行星掩食恒星的证据，因此凌星法往往容易发现短周期（因为轨道半长径较小）的系外行星系统。直接成像法恰好能弥补视向速度和凌星法的不足。直接成像法适合探测轨道半长径较大、大质量的、轨道取向为正向（face-on）的系外行星。且直接成像的一大优势是能直接获取行星发射的光子，结合光谱测量，人们可以获得系外行星的发射谱或者反射谱数据，进一步探索行星的大气结构和气体成分。虽然现在能够直接进行光谱测量的系外行星十分稀少，但是相对于凌星法中的透射光谱研究，直接成像和光谱测量的结合减轻了扣除恒星光谱的负担，也可以获得更高的分辨率和信噪比，因此在未来将是研究系外行星大气的一种高效直接的方法。

直接成像探测系外行星虽然能给人们带来最直接和丰富的行星数据，但行星信号的暗弱，以及行星与恒星所张的微小角距对望远镜本身分辨率的严苛要求给直接成像系外行星带来了巨大的挑战。目前，为了能达到系外行星直接成像的对比度和分辨率需求，通常使用大口径望远镜或干涉望远镜来提高成像的分辨率。同时，还采用星冕仪（coronagraph）或消零干涉（nulling interferometry）两种方法来减少恒星光对行星的影响。

一、 消零干涉（nulling interferometry）

将消零干涉作为探测和表征系外行星的方法首次由天体物理学家R. N. Bracewell提出于1978年^[1]。消零干涉的总体目标是，尽管附近有一个更亮的光源，但仍能对微弱光源（即系外行星）进行测量。利用干涉方法，将来自两个分别指向同一颗恒星的望远镜的光束合在一起。通过向其中一个集光器的光添加π相移，两束光中的恒星光就会相互抵消。来自该恒星周围行星的光会通过两个不满足这个条件的光路，因此行星光不会被抵消。通过这种方式，消零干涉可以观测到微弱的行星系统，而不受其主恒星的眩光的影响。

图1. Bracewell消零干涉仪原理示意图。图片来源：Velusamy T, Angel R P, Eatchel A, et al. Earths: DARWIN/TPF and the Search for Extrasolar Terrestrial Planets. 2003, 539: 631-636.

利用消零干涉探测系外行星的方法被提出以来，在上世纪90年代到21世纪初，欧空局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）分别开展了概念研究：达尔文任务(Darwin mission)和类地行星探测-干涉仪(Terrestrial Planet Finder – Interferometer, TPF-I)任务^[2,3]。但最后由于技术上的挑战，也因为当时对系外行星的了解有限，这些概念没有付诸实施。最近，随着对系外行星的了解越发深入，搜寻和表征生命信号逐渐成为系外行星领域的前沿方向，以及相关关键技术的重大进展，利用消零干涉法搜寻潜在的宜居行星并表征其中的生命信号的任务概念逐渐付出水面。觅音计划即是利用消零干涉法对太阳系近邻的恒星周围开展观测，搜寻潜在的宜居行星并表征生命信号。与觅音计划类似，ESA也提出了称为系外行星大型干涉仪(Large Interferometer For Exoplanets, LIFE) 的空间任务概念^[4]。

图2. LIFE任务的艺术想象图。图片来源：Quanz S P, Ottiger M, Fontanet E, et al. Astronomy & Astrophysics, 2022, 664: A21.

二、星冕仪

星冕仪的基本原理是利用外掩体对恒星光进行遮掩，它对光学系统没有特殊要求，搭配一般的天文望远镜即可。根据工作原理，又可细分为干涉式星冕仪、传统光瞳切趾型星冕仪、李奥式星冕仪、矢量 涡旋星冕仪等。

图3. 星冕仪的基本原理示意图。

利用星冕仪直接探测系外行星已有成功的应用案例。2008年，利用位于夏威夷的Keck望远镜和自适应光学技术，天文学家对HR 8799的行星系统进行了直接成像^[5]，随后也对Beta Pictoris周围的系外行星Beta Pictoris b 和Beta Pictoris c进行了直接成像。

图4. Keck望远镜对HR 8799 行星系统的四颗行星进行直接成像。图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/HR_8799#Planetary_system

星冕仪也可应用与空间望远镜上。于2021年发射的詹姆斯·韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope)^[6]搭载了星冕仪，对系外行星HIP 65426 b开展了直接观测。中国空间站巡天空间望远镜(China Space Station Telescope, CSST)和NASA提出的下一代空间望远镜“宜居世界天文台”(The Habitable World Observatory, HWO)也将搭载星冕仪，对系外行星进行直接成像观测。

图5. JWST对系外行星HIP 65426 b的四个波段的直接成像。图片来源：NASA, ESA, CSA, A CARTER/UCSC, THE ERS 1386 TEAM, AND A. PAGAN/STSCI

图6. 中国空间站巡天望远镜的概念设计图。图片来源：https://nao.cas.cn/csst/

参考文献

1. Bracewell R N. Detecting nonsolar planets by spinning infrared interferometer[J]. Nature, 1978, 274(5673): 780-781.
2. Cockell C S, Herbst T, Léger A, et al. Darwin—an experimental astronomy mission to search for extrasolar planets[J]. Experimental Astronomy, 2009, 23: 435-461.
3. Lawson P R, Lay O P, Martin S R, et al. Terrestrial planet finder interferometer: 2006-2007 progress and plans[C]//Techniques and Instrumentation for Detection of Exoplanets III. SPIE, 2007, 6693: 76-87.
4. Quanz S P, Ottiger M, Fontanet E, et al. Large Interferometer For Exoplanets (LIFE)-I. Improved exoplanet detection yield estimates for a large mid-infrared space-interferometer mission[J]. Astronomy & Astrophysics, 2022, 664: A21.
5. Marois C, Macintosh B, Barman T, et al. Direct imaging of multiple planets orbiting the star HR 8799[J]. science, 2008, 322(5906): 1348-1352.
6. Gardner J P, Mather J C, Clampin M, et al. The james webb space telescope[J]. Space Science Reviews, 2006, 123: 485-606.