天文学家拍到了最清晰的遥远恒星照片

传统天文学中，天文学家通常将多台望远镜联网以获取遥远恒星和星系的最清晰图像。而加州大学洛杉矶分校领导的团队如今仅用一台配备名为“光子灯笼”的突破性设备的望远镜，就实现了对恒星β Canis Minoris的创纪录细节观测。

望远镜揭示微弱或遥远天体的能力取决于其尺寸。更大的望远镜能收集更多光线，从而看到更暗的目标并生成更清晰的图像。最高水平的细节通常通过将多台望远镜联网形成阵列来实现。长期以来，建造这些大型仪器或将它们连接起来，一直是实现发现新宇宙特征所需精度的关键。

现在，借助一种名为“光子灯笼”的设备，天文学家能更好地利用望远镜收集的光线来生成超高分辨率图像。这一突破的细节发表在《天体物理学杂志通讯》上。

“在天文学中，最清晰的图像细节通常通过将望远镜联网获得。但我们仅用一台望远镜就做到了——将其光线导入一种特殊设计的光纤，即光子灯笼。这种设备根据星光的波动模式分裂星光，保留了原本会丢失的细微细节。通过重新组合输出端的测量数据，我们能够重建附近恒星周围圆盘的超高分辨率图像。”该研究的第一作者、加州大学洛杉矶分校博士生金柳贞（Yoo Jung Kim）说。

光子灯笼根据光波前的形状将入射光分成多个通道，就像分离和弦中的音符一样。它还按颜色分光，形成类似彩虹的光谱。该设备由悉尼大学和中佛罗里达大学设计制造，是由巴黎天文台和夏威夷大学主导开发的FIRST-PL仪器的一部分。该系统安装在夏威夷 Subaru 望远镜的 Subaru 日冕仪极端自适应光学仪器上，该望远镜由日本国立天文台运营。

夏威夷大学空间科学与工程计划的教员塞巴斯蒂安·维耶尔（Sebastien Vievard）帮助领导了该设备的制造，他说：“最让我兴奋的是，这种仪器将尖端光子学与夏威夷这里的精密工程相结合。这表明，全球跨学科合作真的能改变我们观察宇宙的方式。”

望远镜的衍射极限（即光的波动性限制了传统成像相机可观测的细节精细度）一直是观测瓶颈。而这种分离和分析光线的方法实现了一种新的精细细节观测方式，获得了比传统望远镜相机更高的分辨率。

加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授迈克尔·菲茨杰拉德（Michael Fitzgerald）说：“对于任何给定尺寸的望远镜，光的波动性都会限制传统成像相机可观测的细节精细度，这就是所谓的衍射极限。我们团队一直致力于利用光子灯笼突破这一前沿领域的可实现目标。”

加州理工学院的研究联合负责人内曼贾·约万诺维奇（Nemanja Jovanovic）表示：“这项工作展示了光子技术在实现新型天文学测量方面的潜力。我们才刚刚开始，前景确实令人兴奋。”

起初，研究人员面临一个主要挑战：地球大气湍流。就像炎热天气里远处地平线看起来波浪状的闪烁效应一样，星光穿过空气时会闪烁和扭曲。为了纠正这一点，Subaru望远镜团队使用了自适应光学技术，这种技术能持续调整以实时抵消这些扭曲并稳定光波。

金柳贞说：“我们需要一个非常稳定的环境来使用这种光纤测量和恢复空间信息。即使有自适应光学，光子灯笼对波前波动也非常敏感，因此我不得不开发一种新的数据处理技术来过滤掉剩余的大气湍流。”

研究团队通过观测β Canis Minoris恒星（位于约162光年外的小犬座，周围环绕着快速旋转的氢圆盘）测试了他们的技术。由于圆盘内气体的运动，朝向地球旋转的一侧看起来更蓝，而远离地球的一侧看起来更红，这是多普勒效应（与移动汽车声音音调变化的现象相同）的结果。这些颜色偏移会根据波长略微改变星光的表观位置。

通过应用新的计算方法，研究人员测量这些基于颜色的位置偏移的精度比以往提高了约五倍。除了确认圆盘的旋转外，他们还发现它是不对称的。

“我们没想到会检测到这样的不对称性，解释其存在将是天体物理学家建模这些系统的一项任务。”金柳贞说。

这种创新方法将使天文学家能够以前所未有的清晰度观测更小、更远的天体。它可能有助于解决长期存在的宇宙奥秘，并且正如β Canis Minoris周围不对称圆盘的案例一样，揭示全新的奥秘。

该项目涉及国际合作，包括夏威夷大学空间科学与工程计划、日本国立天文台、加州理工学院、亚利桑那大学、日本天体生物学中心、巴黎天文台、中佛罗里达大学、悉尼大学和加州大学圣克鲁兹分校的科学家。