调暗星光以发现新系外行星

"位于宜居带——恒星周围温度可能允许液态水存在的区域——的类地行星，其亮度可能比宿主恒星暗弱高达十亿倍，" 亚利桑那大学研究团队负责人尼科·德什勒表示。"这使得探测它们极为困难，因为它们微弱的光芒被恒星的亮度所淹没。我们的新型日冕仪设计可在捕获图像前，分流可能掩盖系外行星光线的星光。"

研究人员在《光学》期刊上表明，新型日冕仪理论上能达到量子光学设定的系外行星探测与定位基本极限。他们利用该设备捕获图像，使其能够估算人工系外行星的位置——这些行星与宿主恒星的距离比望远镜分辨率极限通常允许的距离小50倍。

"与其他日冕仪设计相比，我们的方案有望提供更多关于亚衍射系外行星（即位于望远镜分辨率极限以下的系外行星）的信息，" 德什勒解释道。"这可能使我们有机会探测生物特征信号，并在众星间发现生命迹象。"

光芒致盲

光学分析系外行星面临巨大挑战：在天文尺度上，它们通常过于靠近母星，超出当前望远镜的分辨能力。系外行星的亮度也可能比宿主恒星低数个数量级。尽管天文学家已开发多种间接推断候选恒星周围行星存在的方法，但直接在图像中观测系外行星仍是理想方案。

随着美国宇航局下一代太空望远镜——宜居世界天文台（HWO）——致力于系外行星科学研究，多种日冕仪设计方案相继涌现，各自在实用性与理论性能间存在不同取舍。同时，近期研究表明传统望远镜分辨率概念并不反映基本极限，通过精密的光学前处理可以规避这些限制。

受这些进展启发，研究人员决定利用实验室的空间模式分选器开发改进型日冕仪。该设计理论上能完全阻挡轴对齐恒星的光线，同时实现离轴系外行星的最大光通量传输。

如同钢琴音符发出不同声频，太空中的光源根据其位置激发不同空间模式（即独特的振荡形态与图案）。研究人员使用模式分选器分离这些模式以隔离并消除恒星光线，再通过逆向模式分选器在星光抑制后重组光场。这使得捕获不包含恒星的系外行星图像成为可能。

"我们的日冕仪直接捕获系外行星图像，而非仅测量无空间方位信息的系外行星光量，" 德什勒强调。"图像能提供背景与成分信息，可用于确定系外行星轨道，并识别其他散射星光的物体（如系外黄道尘云）。"

拍摄暗弱系外行星

在实验室配置日冕仪后，研究人员构建了人工恒星-系外行星场景：系外行星位置足够接近恒星，超出传统望远镜分辨能力。恒星与行星的对比度设置为1000:1。

研究人员扫描系外行星位置以模拟行星穿越恒星前方的轨道，并尝试确定每帧图像中其位置。搭载新型日冕仪的实验装置所捕获图像，使其能够在亚衍射行星-恒星间距下估算系外行星位置。

团队正在改进模式分选器以减少串扰（即光线在不同光学模式间泄漏产生的干扰）。中等对比度场景中串扰影响有限，但系外行星科学中的极端对比度要求极高保真度的空间模式分选器来充分隔离星光。

研究人员表示，这项原理验证实验可能激发未来天文仪器中空间模式分选器光学预处理技术的进一步探索。例如，其采用的空间模式滤波方法可处理更复杂场景（如将恒星视为扩展光源），并可能催生量子传感、医学成像及通信领域的新型成像方法。