围绕南河三（β CMi）的致密、快速旋转不对称星盘重建图像。右下角白色比例尺标记为1毫角秒——相当于在月球距离上观测6英尺的尺度。图片来源：金裕贞（Yoo Jung Kim）/加州大学洛杉矶分校
核心发现
单望远镜获得更清晰图像： 天文学家通常需要将多台望远镜联网才能获取遥远恒星和星系的最清晰图像。由加州大学洛杉矶分校主导的研究团队，如今仅使用一台配备突破性设备“光子灯笼”的望远镜，就对南河三这颗恒星实现了破纪录的细节观测。
工作原理： 光子灯笼将星光分成许多精细通道，以捕捉微妙的空间模式。随后通过先进计算技术整合这些通道，重建出充满细节的高分辨率图像，这些细节原本会丢失。
天文学新前沿： 这种创新方法使科学家能够探索比以往更小、更暗、更遥远的天体，为揭示宇宙隐藏结构提供新视角，并催生新发现。
单望远镜的突破性观测
天文学家首次在地面望远镜上运用新型成像方法，对一颗遥远恒星周围的星盘进行了有史以来最详细的观测。由加州大学洛杉矶分校研究人员领导的这项成果，揭示了前所未见的隐藏结构。这一突破为科学家研究恒星、行星及其他天体的更精细细节铺平道路，可能彻底改变我们探索宇宙的方式。
望远镜探测暗淡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，从而观测更暗目标并产生更锐利的图像。最高级别的细节通常通过将多台望远镜联网形成阵列来实现。建造这些大型仪器或将其连接，长期以来一直是实现发现新宇宙特征所需精度的关键。
用光子灯笼驾驭光线
通过使用名为光子灯笼的设备，天文学家现在能更好地利用望远镜收集的光线来生成极高分辨率的图像。这项突破的细节发表于《天体物理学杂志通讯》。
“在天文学中，最清晰的图像细节通常通过联网望远镜获得。但我们仅用单台望远镜就做到了，将其光线导入一种特殊设计的光纤，即光子灯笼。该设备根据星光波动模式将其分离，保留了原本会丢失的微妙细节。通过重组输出测量值，我们重建了附近恒星周围星盘的极高分辨率图像，”第一作者、加州大学洛杉矶分校博士生金裕贞表示。
光子灯笼根据光波前的形状将入射光分成多个通道，类似于分离音乐和弦中的音符。它还按颜色分离光线，形成彩虹般的光谱。该设备由悉尼大学和中佛罗里达大学设计建造，是巴黎天文台和夏威夷大学开发和主导的FIRST-PL仪器的一部分。该系统安装在日本国立天文台运营的夏威夷斯巴鲁望远镜的斯巴鲁极端自适应光学日冕仪上。
“最让我兴奋的是，这台仪器将尖端光子学与我们在夏威夷完成的精密工程相结合，”协助领导建造的夏威夷大学空间科学与工程倡议成员塞巴斯蒂安·维瓦尔说。“它展示了跨越全球、跨越学科的合作如何真正改变我们观察宇宙的方式。”
突破传统成像极限
这种分离和分析光线的方法实现了观察精细细节的新途径，达到了比传统望远镜相机更高的分辨率。
“对于任何给定尺寸的望远镜，光的波动性限制了传统成像相机可观测细节的精细度。这被称为衍射极限，我们团队一直致力于利用光子灯笼推进这一前沿领域的可能性，”加州大学洛杉矶分校物理学和天文学教授迈克尔·菲茨杰拉德表示。
“这项工作证明了光子技术在天文学中实现新型测量的潜力，”该研究在加州理工学院的联合负责人内马尼亚·约万诺维奇说。“我们才刚刚开始。可能性确实令人兴奋。”
最初，研究人员面临一个重大挑战：地球大气湍流。这种使遥远地平线在炎热天气下呈现波状的闪烁效应，导致星光在穿越大气时闪烁与扭曲。为纠正此问题，斯巴鲁望远镜团队使用自适应光学技术，该技术持续调整以实时抵消这些扭曲并稳定光波。
“我们需要非常稳定的环境来使用这种光纤测量和恢复空间信息，”金裕贞说。“即使有自适应光学，光子灯笼对波前波动也非常敏感，我必须开发新的数据处理技术来滤除剩余的大气湍流。”
以惊人细节探索南河三
团队通过观测位于小犬座、距地球约162光年的恒星南河三（β CMi）来测试他们的技术。这颗恒星被一个快速旋转的氢盘环绕。当盘中的气体运动时，朝向地球旋转的一侧显得更蓝，而远离的一侧看起来更红，这是多普勒效应的结果（与移动车辆声音音调变化的现象相同）。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，研究人员以比以往精确约五倍的精度测量了这些基于颜色的位置偏移。除了确认星盘旋转外，他们发现它是不对称的。
“我们没预料到会探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任务，”金裕贞说。
观察宇宙的新方法
这种创新方法将使天文学家能以前所未有的清晰度观测更小、更遥远的天体。它可能帮助解决长期存在的宇宙之谜，并如南河三不对称星盘的案例那样，发现全新的谜题。
该项目涉及国际合作，包括来自夏威夷大学空间科学与工程倡议、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。
