그림자에서 두 번째 지구를 찾고 있습니다

뉴욕시의 옥상에 자리 잡고 있다면 로스 앤젤레스의 길가 옆에 펄럭이는 깃발을 겨냥한 망원경을 뚫고 지나가는 것은 외계인의 태양 인 백만 킬로미터의 더 밝은 눈부심에 대항하여 거울 지구를 엿볼 수있는 어려움을 파악할 수 있습니다. 10 억 대 1의 대비 비율은 행성 광의 광자 만 포착하는 것을 의미합니다. 전 세계의 비밀을 말할 수있는 한 사람을 찾아 지구 전체 인구를 체질하는 것과 다릅니다. 거울 지구가 너무 희미하기 때문에, 당신이 어떻게 든 각 광자가 먼 땅, 바다 및 하늘에서 반사 된 모든 광자를 사로 잡았더라도 망원경에 간헐적으로 도착하여 손가락으로 계산하여 실질적으로 집계 할 수 있습니다. 결과적인 이미지는 인상적이지 않은 행성 광의 미해결 점으로 반구 규모 표면 특징을 매핑하고 세계의 대기 구성을 연구하는 데 여전히 사용될 수 있습니다.

따라서 하늘에서 Manna와 같은 Starlight에 남아있는 다른 천문학 자들과는 달리 Guyon은이를 무자비하게 억제하여 절묘한 광학 폭력으로 별의 빛을 전멸 시키려면 모든 행성을 볼 수 있도록 노력합니다. 그의 선택 무기는 코로 그라프 (Coronagraph)라고 불리는 것입니다. 망원경에 내장 된 장치는 엄지 손가락으로 하늘에서 태양을 끄는 것과 거의 같은 방식으로 대상 별의 빛을 막아 하늘에 그것을 덮고 눈을 향해 그림자를 던지는 것과 거의 같습니다. 1930 년대 이래 수백만 대 1 대의 대비 비율이 가능한 비교적 간단한 코로나 그라프는 이용 가능했지만, 거울 지구에 대한 사냥이 지난 10 년 동안 본격적으로 시작되었을 때, 악기 학자들은 더 야심 찬 디자인을 고안하기 시작했습니다.

10 억 대 1 대비 비율을 달성하기 위해 코로 그라프를 제작하는 것은 다소 비현실적인 추구입니다. 다른 별을 공전하는 작은 행성의 스냅 샷을 취하는 것 외에도, 그러한 극단적 인 대비에 도달 해야하는 다른 응용 프로그램은 아직 고안되지 않았습니다. 상업적 고려 사항에서 해방 된 코로나 그라피의 국경은 빛의 시대를 초월한 순도와 물질의 임시적 손상 사이의 화해에 대한 거의 형이상학 적, 거의 기존의 탐구로 볼 수 있습니다.

코로 그라프 내부에서 빛은 예상 할 수있는 광자의 미립자 샤워로 실제로 작동하지 않습니다. 대신, 그것은 거울 및 기타 광학 성분을 가로 질러와 주변의 웨이블릿에서 유체, 회절 및 흐르는 것처럼 작용합니다. 빔의 완전성이 해당 구성 요소의 모양과 위치에서 원자 규모의 결함도 충족 할 때, 광이 흩어져 궤적을 이동하여 망원경의 다른 곳에 누출됩니다. 세계를 찾는 센서에 길 잃은 광자가 너무 자주 튀어 나와서 합법적 인 행성 빛으로 모호하거나 무도회 할 수있는 반짝이는 얼룩으로 결과 이미지를 오염시킵니다. 완벽한 평평한 거울조차도 면역이 될 수 없습니다. 별빛이 거울의 가장자리에 도달 할 때 완벽한 표면을 가로 질러 매끄럽게 전파되어 최소한 희미한 행성처럼 밝은 반짝이는 고리 패턴으로 쌓여 있습니다.

시간이 지남에 따라 천문학 자들은 별빛 빔이 가장자리가 전혀 발생하지 않도록함으로써 이러한 회절 고리와 싸우는 법을 배웠습니다. 회절 고리를 억제하는 가장 단순하고 가장 일반적인 방법 중 하나는 "apodization"이라는 과정으로, 빔의 주변을 중심보다 어둡게 만들어 회절에 대한 어둠의 단열 장벽을 형성합니다. 초기에 apodized 행성 찾기 코로나 그라프는 거울의 중심에서 불투명도로 어두워지는 그라디언트를 스프레이 페인팅하거나 컴퓨터 생성 패턴으로 맞춤형 커스텀 컷으로 미러의 가장자리를 마스킹 할 것을 요구했습니다. 이러한 디자인 중 일부는 종이와 기본 실험실 테스트에서 거울 지구를 이미지화하기 위해 충분히 효과적 이었지만 모두 비교적 비효율적이어서 최종 이미지의 해상도를 줄이고 별과 그에 따른 행성의 많은 빛을 버렸습니다. 더 나쁜 것은, 태양과 같은 별에 가까운 별빛을 충분히 억제하기 위해 거주 가능한 구역에 무엇이 있는지 확인하기 위해서는 Coronagraph를 사용하는 우주 망원경이 매우 크고 비싼 거울이 필요합니다.

이 모든 것은 박사 학위를 취득한 직후 2002 년 여름에 Guyon의 마음에 있었으며, 그곳에서 그는 행성을 직접 이미지를 직접 연구하는 여러 가지 방법을 연구했습니다. 그는 브리티시 컬럼비아 빅토리아에서 전망대를 방문하여 조용한 안개가 자욱한 아침에 연필과 종이로 낙서를하고 있었고 많은 동료들이 여전히 자고있었습니다. "나는 [그 디자인]이 얼마나 비효율적인지 생각하고, 빛을 움직여서 빔의 중심에 집중하여 가장자리에 버리는 대신 동일한 묵시 화 효과를 얻을 수 있는지 궁금합니다."라고 회상합니다. Guyon은 거울의 가장자리를 가리고 빔을 형성하는 데 사용할 수있는 동심 고리 세트를 그리기 시작했습니다. 획기적인 것은 그가 고리를 연결하기 시작했을 때 발생했을 때 발생했습니다. 연속적인 표면을 스케치했습니다. 회절 패턴을 최소화하기 위해 평평한 거울의 가장자리를 마스킹하는 대신, 그는 거울 자체를 기하학적으로 조각함으로써 마스크 없이도 같은 것을 달성 할 수 있다는 것을 깨달았습니다. 천문학 자들은 이미 라디오 망원경 에서이 개념을 사용했으며, 가이 온에게는 알려지지 않은 광학 과학자들은 최근 레이저 빔의 모양을 변화시키기 위해 비슷한 비구적인 거울을 고안했습니다. Guyon의 돌파구는 영상 행성의 문제에 대한 이상적인 솔루션 으로이 기술을 제안하고 개발하는 것이 었습니다.

그 결과는 이상하게 도구 형태의 한 쌍으로, 각각은 중앙에 부드럽게 구부러지고 가장자리에서 평탄 도로 튀어 나왔습니다. 가이온은 스타 라이트 빔이 고무 조각처럼 늘어나서 중앙에 집중되어 평탄도와 곡률의 상호 작용에 의해 가장자리에 희석되었습니다. 그 결과 빔은 가능한 한 많은 행성 빛을 보존하면서 행성에 휩쓸린 고리가 없어지고 행성 윙윙 거리는 고리가 없을 것이라고 의심했다. 렌즈로 apodized 빔에 초점을 맞추면 중앙 별빛을 작은 지점으로 더 날카롭게하여 간단한 불투명 한 디스크에 의해 차단 될 수 있으며, 빔의 퍼지 가장자리에 숨어있는 희미한 행성 광자로 인해 빔의 퍼지 가장자리에 숨겨져 있지 않아 검출기에 영향을 미치지 않습니다. 이 높은 처리량과 해상도의 조합은 Guyon 's coronagraph를 사용하는 행성 찾기 망원경이 다른 많은 디자인보다 작고 저렴하게 만들어 질 수 있지만 여전히 우수한 성능을 제공 할 수 있음을 의미했습니다. 가이온의 방법은 근처 별 주위에 지구의 유용한 이미지를 생성하는 데 몇 시간 또는 며칠이 걸리는 대신 몇 분 안에 동등한 이미지를 얻을 수 있습니다.

2003 년 논문에서 그의 디자인을 묘사 한 후, 후속 연구 Guyon과 여러 협력자들은 렌즈와 거울에 동일한 기술을 적용했으며, 필요한 비구면 형상을 설명하는 파생 된 방정식을, 미래의 행성 찾기 텔레 스코프 내에서 그의 코로나 그라프 디자인을 사용하여 제안했습니다. 웨슬리 트라 우브 (Wesley Traub)와 로버트 밴더 베이 (Robert Vanderbei)의 다른 두 연구원은 새로운 apodization 접근법에서 잠재적으로 치명적인 결함을 발견하고 수정했습니다. Guyon 은이 기술의 주요 획기적인 혁신에 대한 Apt-aarcane 설명을 위해 위상 유발 진폭 apodization 또는 PIAA (PIAA) (PIAA)라고 불렀습니다. (Guyon은 광학 물리학의 마스터 일뿐 아니라 그의 창조물에 대한 멍청한 약어를 고안하기위한 기괴한 렌즈를 가지고 있습니다.)

완전히 새로운 다양한 코로 그라프의 발명은 광학 과학에서 드문 사건이며, PIAA의 전례없는 스타 라이트 조작은 완전히 새로운 실험과 디자인의 영역을 열었습니다. 얼마 지나지 않아 NASA 리서치 센터와 다른 기관들은 여러 유형의 PIAA 코로 그라프의 실험실 성능을 면밀히 조사하여 저렴한 가격으로 스타 라이트를 억제 할 수있는 잠재력을 테스트했습니다. Guyon은“기억해야 할 중요한 점은 망원경 조리개, 거울 크기를 늘리는 것보다 코로 그라프를 최적화하여 달러 당 과학을 훨씬 더 빠르게 얻는 것입니다.”라고 Guyon은 말합니다.

우리의 대화 중 하나 인 Guyon은 나에게 동심원 파문으로 둘러싸인 물 웅덩이에 튀는 돌로 보이는 것의 크게 픽셀 화 된 이미지를 보여줍니다. 석재와 잔물결은 실제로 인공 광원에서 질식 된 눈부심이며, NASA의 Jet Propulsion Laboratory의 진공 챔버 내에서 Piaa Coronagraph로 억제됩니다. 합성 별과 가장 안쪽의 잔물결에 인접한 공허가 있습니다. 깊고 10 억에서 1 그림자의 어두운 패치는 99.999999999 %의 빛을 깨끗하게 정화했습니다. Guyon은“우리가 여기에서 진짜 별을보고 있었고이 지역에는 작은 바위 행성이 있었다면 Piaa 때문에 본질적으로 지구의 빛을 받고 망원경이 허용하는 것처럼 급격히 볼 것입니다.

이 단순화 된 랩 시뮬레이션은 미러 지구를 이미지화하는 데 실제 공간 기반 악기가 필요한 것과 유사한 성능을 제공합니다. 불행히도, 그러한 악기를 짓는 돈은 쉽게 나오지 않습니다. PIAA의 기술 개발은 우주 과학의 지배적 인 자금 인 NASA가 낮은 효율성에서 작동하고 큰 거울을 요구하는 오래된 코로 그라프를 요구하는 기준선 디자인을 사용하여 행성 이미징 임무를 연구하고 있었을 때 2000 년대 중반에 증가하고있었습니다. 그러나 국제 우주 정거장을 완성하고, 노화 우주 셔틀을 대체하기위한 새로운 로켓을 건설하고, 과잉 예산 및 차세대 James Webb Space Telescope를 발사했으며,이 기관은 대규모 행성 이미징 관측 관측소의 단기 추구를 간단한 것으로 간주했으며 2006 년에는이 프로젝트를 무기한 보유에 올렸습니다.

Planet-Finding Coronagraphs는 2013 년 NASA에서 생명에 대한 새로운 임대를 받았으며,이 기관은이 10 년 말에 출시 될 예정인 훨씬 저렴하고 작은 2.4 미터 우주 망원경 인 WFIRST MISSION에 하나를 넣기로 결정했습니다. NASA는 덜 유능하지만 더 성숙한 초기 Coronagraph 디자인으로 임무를 장려하기로 결정했지만 Guyon의 작품은 그의 PIAA 개념을 백업으로 선택했습니다. 그 동안 Guyon은 8.2 미터 스바루 망원경에 첨부 된 기술 데모를 포함하여 지상의 망원경과 통합하여 우주에서 PIAA의 기초를 마련하기 위해 노력합니다.

Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics의 부족한 Scexao (Skex-ay-Oh)라고 불리는이 악기는 곧 태양과 같은 별 주위에 목성 행성의 그림과 풍자 규모의 세계의 중력 풀에 의해 조각 된 상황 파편 디스크의 이미지를 곧 전달해야합니다. 그러나 30 미터 직경의 조명 수집 거울의 뒷면에 볼트로 고정 된 SCEXAO의 수프 버전은 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. Guyon은 향후 10 년 초반 데뷔 할 예정인 Piaa Coronagraph가 근처의 "Red Dwarf"별의 거주 가능한 구역에서 Rocky 행성의 스냅 샷을 제공 할 수 있다고 생각합니다.

Guyon은“우리 태양계에 가장 가까운 별은 Proxima Centauri입니다. “Proxima Centauri 주위에 지구를두면, 행성 별 대비는 우리 자신의 태양 주위의 지구보다 덜 도전적입니다. 더 큰 도전은 습관이 되려면 지구 가이 작은 별에 매우 가까워 야한다는 것입니다. Piaa Coronagraph는 우리가 필요한 곳을 가까이에서 찾는 데 도움이 될 것입니다. 이것들은 우리가 향후 10 년 동안 지상에서 이미지를 만들 수있는 잠재적으로 거주 가능한 행성의 종류입니다.”

그 외에도 Guyon의 궁극적 인 동기는 충분히 분명합니다. “아마도 먼 미래에 우리는 지구를 상기시키는 행성의 이미지를 얻을 것입니다. 왜 안 돼? 그것이 이것에 대해 정말로 흥분시키는 것입니다.”