Bloquear la luz estelar

Bloquear la luz estelar

1. Historia. Bernard Lyot inventó el coronógrafo en 1930 para estudiar la corona solar sin un eclipse; una máscara en el plano focal bloquea el disco y un "diafragma de Lyot" elimina la luz difractada (Lyot 1939). Los coronógrafos LASCO de SOHO muestran la misma idea cada día (Brueckner et al. 1995). La escena del Sol de arriba es una ilustración basada en LASCO, no una imagen de LASCO.
2. Familias de coronógrafos. Máscaras de amplitud de tipo Lyot, pupilas apodizadas y máscaras de fase como el vórtice. La cifra clave es el ángulo interno de trabajo, en unidades de λ/D (Mawet et al. 2012). La Tierra a 10 pc está a 0,1″ de su estrella: unos 5,3 λ/D para un telescopio de 6 m a 550 nm [calc].
3. Óptica adaptativa y speckles. Un espejo deformable aplana el frente de onda turbulento cientos de veces por segundo. Lo que queda son speckles; la imagen diferencial angular deja que el cielo rote mientras los speckles permanecen fijos, de modo que pueden restarse (Marois et al. 2006).
4. Starshade. Una pantalla con forma de flor que vuela muy por delante de un telescopio (Cash 2006). El concepto Roman Starshade Rendezvous: 26 m a 26.000 km; HabEx: 52 m a unos 76.600 km (HabEx Final Report).
5. Interferometría de anulación. Dos telescopios combinados con un desfase de media onda anulan la estrella en una franja oscura mientras un planeta fuera del eje queda en una brillante (Bracewell 1978; el concepto LIFE, Quanz et al. 2022).

Familias de coronógrafos, plano a plano

Cada familia de abajo se dibuja como cuatro planos de un mismo tren óptico. Las intensidades se calculan, no se pintan: óptica de Fraunhofer de un telescopio ideal y monocromático con una pupila circular despejada, mostrada en escala logarítmica desde el pico de la estrella hasta una millonésima. Los tamaños de la máscara y del diafragma, el apodizador y el brillo de los planetas son ilustrativos y así se indica.

Ilustraciónno a escala; según Lyot 1939

1. Coronógrafo de Lyot. Un disco opaco en el plano focal bloquea el núcleo de la imagen de la estrella. Lo que no elimina es la luz que difracta su borde, que la lente siguiente envía al contorno de la pupila reimaginada; un diafragma de Lyot algo menor que la pupila intercepta ese contorno (Lyot 1939). Con un disco de 4 λ/D, cerrar el diafragma del 150% al 80% de la pupila reduce la luz estelar a 8 λ/D de 6,7×10⁻⁵ a 1,8×10⁻⁷ del pico de la estrella (sin coronógrafo: 7,8×10⁻⁵) [calc], mientras que un planeta bien fuera del disco conserva el 64% de su luz, el área del diafragma.
2. Pupila apodizada. En lugar de una máscara, la transmisión de la pupila disminuye hacia su borde, de modo que la imagen no tiene un borde nítido que produzca anillos. Para A(ρ) = (1 − ρ²)², el anillo más brillante cerca de 5 λ/D baja de 7,8×10⁻⁴ a 1,2×10⁻⁶ del máximo de la pupila despejada [calc], pero solo pasa el 1/(2n + 1) = 20% de la luz y el núcleo es más ancho. Los apodizadores reales (pupilas conformadas, diseños prolatos y APLC) se optimizan numéricamente; esta atenuación es ilustrativa.
3. Máscara de fase de vórtice. Una máscara transparente cuya fase gira alrededor de su centro (e^(2iθ), carga 2) desplaza la luz de una estrella en el eje fuera de la pupila reimagenada: para un vórtice ideal de carga 2 sobre una apertura circular despejada, el campo allí es exactamente cero dentro de la pupila y (1/ρ)² fuera de ella [calc], por lo que un diafragma justo dentro de la pupila elimina la estrella. Las máscaras de fase son la familia que trabaja más cerca de la estrella (Mawet et al. 2012); los vórtices reales dejan residuos debidos a errores del frente de onda y al tamaño finito de la estrella.
4. Óptica adaptativa y ADI. Un espejo deformable convierte el halo del seeing en un núcleo nítido, pero quedan motas (speckles) cuasiestáticas de λ/D de ancho. Con la pupila del instrumento fija, el cielo y el planeta giran a lo largo de la noche mientras las motas permanecen; la mediana de la secuencia modela las motas, y cada fotograma menos ella, girado de vuelta según su rotación de campo y apilado, conserva el planeta (Marois et al. 2006). Los fotogramas en el escenario son sintéticos. En el cielo, GPI alcanza un contraste bruto de aproximadamente 10⁻⁴ a 0,4″ en 60 s y más de diez veces más profundo tras una hora de ADI (Bailey et al. 2016).

La escala de contraste

Los planetas de HR 8799 en el lienzo usan los semiejes mayores y las excentricidades de exoplanet.eu; su orientación en el cielo es ilustrativa y el tiempo está comprimido. Los contrastes de distintos instrumentos se miden a distintas separaciones, longitudes de onda y significancias, por lo que los peldaños no son directamente comparables.

1,216 of the 8,049 planets with a stored distance in exoplanet.eu were found by imaging (the first method listed). Show them on the Galaxy map ›

Datos reales, citados

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Los recuentos por año y método, en una tabla ›