抑制恒星亮度以观测新系外行星

"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，其亮度可能比其宿主恒星暗淡多达十亿倍，"亚利桑那大学研究团队负责人尼科·德什勒表示。"这使得它们难以被探测，因为它们微弱的光线被恒星的亮度所淹没。我们的新型日冕仪设计在捕获图像前，会虹吸掉可能遮蔽系外行星光线的星光。"

在《光学》Optica期刊上，研究人员展示这种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的基本极限。他们还利用它捕获图像，使其能够估算人造系外行星的位置，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至五十分之一。

"与其他日冕仪设计相比，我们的方案有望提供更多关于所谓亚衍射系外行星的信息——即那些位于望远镜分辨率极限之下的行星，"德什勒说。"这可能使我们有潜力探测生物特征信号，并在众星中发现生命的存在。"

被光线遮蔽

对系外行星进行光学分析是一项艰巨挑战，因为在天文尺度上，它们通常过于靠近母星，超出了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出多种方法来间接推断候选恒星周围行星的存在，但直接在图像中观测系外行星仍是理想方式。

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，许多日冕仪设计方案相继涌现，各自在实用性和理论性能上存在不同的权衡取舍。同时，近期研究表明，传统的望远镜分辨率概念并不反映基本极限，可通过精心的光学预处理来突破。

受这些进展启发，研究人员决定利用其实验室可用的空间模式分选器，开发一种改进型日冕仪。该设计理论上能完全抑制来自轴上恒星的星光，同时实现离轴系外行星的最大光通量传输。

正如钢琴音符发出不同声频，太空中的光源根据其位置会激发不同的空间模式——即独特的振荡形状和图案。研究人员使用模式分选器分离这些不同模式，以隔离并消除恒星光线；随后通过逆模式分选器在星光被抑制后重组光场。这使得捕获不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的图像，而非仅测量系外行星的光量而不提供任何空间方位信息，"德什勒解释道。"图像可提供背景和成分信息，用于确定系外行星轨道，并识别其他散射星光的物体，例如系外黄道尘埃云。"

成像微弱系外行星

在实验室配置好日冕仪后，研究人员构建了一个人造恒星-系外行星场景，其中系外行星位置足够靠近恒星，以致传统望远镜无法分辨。恒星与行星的对比度设定为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，并尝试确定其在每帧图像中的位置。采用新型日冕仪的实验装置所捕获的图像，使他们能够在亚衍射行星-恒星间距下估算系外行星的位置。

研究人员正致力于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的干扰类型。对于中等对比度的场景，串扰问题尚不严重。然而，系外行星科学中的极端对比度要求空间模式分选器具备极高保真度，以充分隔离来自恒星的光线。

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的进一步探索。例如，他们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、医学成像和通信领域的新型成像方法。

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Journal Reference:

Nico Deshler, Itay Ozer, Amit Ashok, Saikat Guha.Experimental demonstration of a quantum-optimal coronagraph using spatial mode sorters.Optica, 2025; 12 (4): 518 DOI:10.1364/OPTICA.545414