First Light / SCExAO - 8m 스바루 망원경(SUBARU Telescope)성능
SCExAO
대형 지상망원경으로 직접 촬영하는 외계행성은 대기난류를 정확하게 측정하고 희미한 행성 신호를 탐지하는 고성능 카메라에 의존한다. SCExAO(Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics)는 하와이의 Maunakea 꼭대기에 있는 8m 스바루 망원경에 설치된, 고대비 이미징(high contrast imaging) 장비이다.
SCExAO의 주요 목표는 외계행성, 갈색 왜성 동반별(brown dwarf companions), 별의 먼지와 주위를 직접 촬영하는 것이다. SCExAO 프로젝트는 최첨단 광학과 근적외선 카메라 기술이 포함되며, 계측기 팀은 탐지 전문가와 협력해 외계행성의 촬영을 위한 고급 기술을 검증하고 합친다.
SCExAO의 독보적인 모듈식 설계는, 실험실 장비에서 혁신적인 기술과 알고리즘을 신속하게 실험한 후에 천체에 적용할 수 있는 이상적인 장비이다. SCExAO는 광학 장치 AO188을 사용해 파면 보정(wavefront correction)의 첫 단계에서 장점을 가져다주며, 600-2,400nm 스펙트럼을 가시광선과 근적외선의 다양한 모듈로 분할한다.
J,H나 K-밴드 고해상도 모드 또는 광대역 저해상도 모드를 갖춘 통합 필드 분광기 CHARIS는, SCExAO를 외계행성 탐지 및 특성화의 주요 수단으로 만든다. 이전에 탐사되지 않은 과학기술 개발을 가능하게 할 20k 픽셀 마이크로파 역학 인덕턴스 검출기(MKIDS, Microwave Kinetic Inductance Detector)가 가장 최근에 추가됐다.
MEC(Micro Exoplanet Camera)는 새로운 광자 카운팅 스팩클 제어(photon-counting speckle control)와 결합해 SCExAO를 미러 망원경(GSMT, Giant Segmented Mirror Telescopes)에 최적화된 미래 고대비(high-contrast) 장비의 최종 설계에 더 근접하게 한다.
First Light Imaging은 턴 키 방식(turn key system)의 높은 프레임 비율의 고감도 카메라 시스템을 장비에 제공해, 가장 진보된 감지기 기술을 빠르고 쉽게 통합할 수 있게 한다. SCExAO 팀은 새로운 검출기 기술을 개발하는 여러 학술 기관과 긴밀히 협력한다(University of California Santa Barbara, University of Hawaii, Northwestern University).
OCAM2K
적응광학 교정(adaptive optics correction)은 가시광선인 PSF를 First Light Imaging OCAM²K 카메라에 형성된 4개의 pupil images로 분할하는 PyWFS(Pyramid Wavefront Sensor)를 사용해 수행된다.
OCAM²K 덕분에 SCExAO의 PyWFS는 3.6kHz까지 작동할 수 있다. 이는 8m 망원경으로 세계에서 가장 빠른 속도를 낸다.
PyWFS는 2,000개의 액추에이터로 명령을 전송해 거울을 변형하며, 잔류 대기 난류와 기타 파면 오류를 수정한다. 이 적응광학 루프는 스트렐 비율(Strehl ratio)이 80~90%인 안정된 고화질 이미지를 제공한다. 이 단계는 고대비 이미징을 수행하고 별 옆에 있는 희미한 동반자를 탐지하는 데 필수적이다.
C-RED 2
SCExAO는 눈에 보이는 부분(0.6-0.9μm)과 적외선 부분(0.95-2.4μm)으로 구성된다. 장비의 적외선 부분은 다목적 내부 SWIR 카메라를 가지고 있으며 최근에는 First Light Imaging C-RED 2 카메라로 업그레이드됐다.
C-RED 2는 별빛의 내부 정렬, 초점면(focal plane)과 동공면(pupil plane), 별빛을 가리는 코로나그래프(coronagraphs)에도 사용된다. 카메라는 저차 준정적 오류(low-order quasi-static errors) 또는 준정적 얼룩(quasi-static speckles)을 수정할 수 있다. 이 문제들은 초점면 파면 센서(focal plane wavefront sensor)로 작동해 중앙별 주변의 동반자를 모방한 수차(aberrations) 때문에 생성됐다.
마지막으로, 단일 모드 광섬유에 주입된 자속을 제어해 고분해능 적외선 도플러(IRD) 분광기를 사용해서 외부 행성 스펙트럼을 수집할 수도 있다.
· 코로나그래프 저차 파면 센서
(Coronagraphic Low-order wavefront sensor)
:SCExAO 내부의 코로나그래프는 PyWFS에 보이지 않는 저차 수차에 영향을 받을 수 있다.
이를 보정하기 위해 SCExAO에는 WFS 유형인 Lyot-stop Low-Order Wavefront Sensor (LLOWFS)가 장착돼 있다. WFS는 저차 수차(low-order aberrations)를 측정하고 보정하기 위해 코로나그래프의 Lyot 정지로 거부된 IR 광을 사용한다. LLOWFS용으로 사용된 카메라는 First Light Imaging C-RED 2 카메라용으로도 업그레이드돼, 더 어두운 목표물에 대한 성능을 향상한다.
· 널링 간섭계(Nulling Interferometry)
: 간섭계는 대개 망원경에 의해 형성된 기준선 크기와 같은 망원경과 동일한 해상도를 얻기 위해, 2개 이상의 망원경을 결합하는 데 사용된다.
이 기술은 동공(pupil)의 다른 부분에 있는 빛을 결합해서, 단 하나의 망원경으로만 사용할 수 있다. 간섭계로 얻은 해상도는 망원경의 이론적인 분해능의 약 절반으로 줄일 수 있다. 널링 간섭계는 이 원리를 사용하지만 다른 부분 사이에 위상 변이를 추가해 상쇄 간섭을 만든다.
SCExAO는 시드니 대학(University of Sydney)과 맥쿼리 대학교(Macquarie University)가 개발한 광 간섭성 널링 망원경(GLINT, Guided Light Interferometric Nulling Telescope)을 장착했다.
모듈은 적외선 빛 중 일부를 받아 망원경 동공에서 2개의 빔을 선택하고 통합된 광학 장치를 사용해 간섭시킨다. 간섭은 파괴적이고 건설적인 간섭에서 색채 변화를 감지하는 다른 First Light Imaging C-RED 2 카메라로 분산된다. 이런 변형의 통계를 사용해 밝은 별 주변의 다른 분해된 구조뿐만 아니라 별 직경을 측정할 수 있다.
C-RED ONE
혁신적인 초점면 파면 감지와 진보된 후처리 기술(프랑스의 Obse rvatoire de la Côte d’Azur가 주관하는 Horizon H2020 KERNEL 프로젝트의 맥락에서 개발됨)은 2018년 6월부터 First Light Imaging C-RED One 카메라로 실험된다.
SCExAO의 내부 C-RED 2 카메라와 비슷한 경로를 사용하지만 정밀도를 훨씬 더 높일 수 있다.
C-RED One으로 준정적 이미지와 가변 얼룩을 모두 보정할 수 있어야 최종 과학 이미지의 대비가 높아진다.
2018년 7월 업데이트 (F.Martinache, KERNEL)
기본 전체 프레임 모드에서, C-RED One은 3.5kHz에서 프레임을 수집할 수 있다. 가장 작은 창 모드에서 카메라는 71kHz를 약간 초과할 수 있다. 높은 프레임 속도와 결합된 카메라의 높은 감도는 고대비 이미징 영역에서 최고 수준이다. 실제로 초점 평면에서 변형 가능한 미러를 직접 구동할 수 있다. 이 속도에서 얼룩은 전혀 문제되지 않는다.
자료 제공: First Light(www.first-light-imaging.com)
