在灯塔旁边找萤火虫，这事儿有多难？

自从人类开始探索太空，寻找地球外的生命就是最迷人的目标之一。想要理解地球之外是否存在适合生命生存的世界，我们需要认识那些遥远恒星周围的行星，也就是系外行星。

系外行星GJ 504b 艺术图。这是一颗粉紫色的巨行星，约4倍木星质量。（图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center/S. Wiessinger）

尽管人类已经通过多种方法发现了几千颗系外行星，但其中绝大多数都是通过行星对恒星产生的影响间接发现的。在望远镜里直接“看见”一颗行星，这是一个巨大的难题——在可见光波段，行星主要依靠反射母恒星的光，才能被望远镜观测到。然而，与明亮的恒星相比，这些反射光极其微弱，很容易被恒星的强光淹没。这就像从一个灯塔的灯光中找出一只萤火虫，难度可想而知。

在一颗遥远恒星的周围找到行星，就像在灯塔旁边找出一只萤火虫（图片来源：NASA）

我国载人航天工程建设的旗舰级空间天文观测设施——中国空间站巡天空间望远镜（CSST），计划搭载一个专门探测系外行星的设备：系外行星成像星冕仪（Cool Planet Imaging Coronagraph，简称为CPI-C）。它的任务正是在恒星强烈的光芒中，分辨出几乎被完全淹没的微弱行星信号。

然而，要从这些信号中找到系外行星，光有先进的观测仪器还不够。仪器在太空中会拍摄到怎样的图像？各种噪声和干扰会对观测造成什么影响？如何从复杂的图像中提取出微弱的行星信号？种种问题，都需要研究人员在望远镜升空之前尽可能做好准备。

因此，研究人员又为CPI-C建造了一套“数字分身”——系外行星成像星冕仪观测图像仿真（CPISM）。在真正的观测开始之前，它可以先在计算机上模拟未来的成像，从而帮助研究人员提前评估观测能力，优化未来的观测方案，为星冕仪寻找系外行星做好更充足的准备。

系外行星的“猎手”—— CPI-C

在中国空间站的建设规划中，配备有一台巡天空间望远镜（CSST）。这台空间光学望远镜口径达2米，视场达哈勃望远镜的300倍，计划对17500平方度的天区进行巡天观测，观测星系量级将超过10亿，是中国未来十年空间光学天文的旗舰级项目。

CSST共配备有五个观测终端，其中系外行星成像星冕仪（CPI-C）主要承担了系外行星的观测任务。

CPI-C仪器结构示意图

之前提到，直接拍摄系外行星，就像在灯塔旁寻找一只萤火虫，难点不只是目标距离遥远，更在于恒星本身太亮，行星的反射光被吞没。CPI-C的基本思路是，既然恒星太亮，那就想办法把恒星的光尽可能挡住、削弱，从而让行星的反射光显现出来。

只不过，真正操作起来远比“拿东西挡住恒星”复杂，因为恒星光经过望远镜后还会发生衍射，在图像周围留下光斑和散斑。CPI-C为此设计了一整套精密光学设计，通过调制光学系统的透过率等措施，在探测区域内生成一个“暗区”，恒星的光芒在其中会显得暗弱，从而让行星的光得以显现。

借助精密的光学系统设计，CPI-C的目标是实现10^-8量级的高对比度观测能力，这相当于在恒星和行星亮度相差一亿倍的情况下，辨认出那一点来自行星的暗光。

星冕仪模块光路示意图

为何需要数字仿真？

然而，光学系统的镜片表面可能存在瑕疵，温度变化会带来像差，探测器噪声等因素也会在图像中引入额外干扰，增加暗区维持和行星探测的难度。这样一来，行星信号就会再次被淹没。

因此，仅仅依靠设计图纸和地面测试远远不够。我们需要搭建一套能模拟所有已知物理效应的数字系统，在望远镜发射前，就预演它在轨工作的一切可能：从星光如何被调制，噪声如何被控制，到探测器如何记录信号，再到最终图像中可能包含的各种瑕疵。

系外行星成像星冕仪观测图像仿真（CPISM）正是这样一个强大的虚拟实验室。它就像是一条完整的流水线，把一次完整的空间观测从头到尾拆解，再一步一步在计算机里重新跑一遍。

星冕仪观测仿真流程图

最开始，仿真软件先从目标本身下手。用户输入恒星和假想行星的一些基本参数，比如恒星有多亮、行星离恒星多远、它的大气可能是什么样，程序就会据此生成这一对恒星+行星系统在进入望远镜之前的原始混合光信号。

接着，这些光会进入CPI-C的光学系统。这里最重要的任务，是想办法削弱恒星光。系统会在焦平面上形成一个高对比度暗区，让原本难以看到的行星信号有机会从恒星强光旁边显露出来。虽然CPI-C工作在太空中，不受地球大气扰动影响，但光学系统中包括望远镜和星冕仪在内的所有镜面引入的高阶和低阶波像差，都需要精密检测和主动控制，才能维持稳定的成像暗区状态。

不过，真实观测从来不是在一个完全理想的环境里进行的。背景光、宇宙线、系统误差和探测器缺陷，都会影响最终图像。CPISM并不会把这些问题省略掉，而是会尽量把它们一并放进模拟里。比如，高能粒子击中探测器后，会在图像上留下额外痕迹；背景光虽然不强，也会成为微弱信号的干扰源。把这些因素都纳入考虑，仿真结果才更接近未来真正会拿到的数据。

当经过调制的微弱光子最终抵达焦平面相机，CPI-C的“视网膜”——一台电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）相机开始工作。对它的模拟是CPISM的另一大核心。EMCCD通过电子倍增技术来增强微弱信号，再将其读出，因此特别适合高对比度成像。但同时也引入了一系列独特的噪声和效应。

CPISM的相机模块完整复现了从光子收集、图像转移、电子倍增到信号读出的四大过程。模拟后的图像具有接近真实在轨原始数据的面貌：它不只是一张干净漂亮的“理想图”，还会更接近真实原始数据的样子。像元响应并不完全一致，暗电流会混进来，读出过程中也会叠加额外噪声。如果信号太强，还可能出现饱和和溢出现象，在图像上拉出明显的拖痕。换句话说，仿真输出保留下来的，不只是目标本身的信号，还有仪器和探测器留下的各种印记。科研人员借此提前知道，这些噪声和伪影在图像里会是什么样子，哪些会干扰行星探测，哪些可以通过算法校正。只有这样，等真实数据到来时，才不会手忙脚乱。

星冕仪观测仿真图像

从“数字演习”到科学信心

通过CPISM这套完整的流程，科研人员可以提前做很多原本只能在正式任务开始后才能做的事情。

最直接的一点，是验证数据处理流程。仿真数据的输入条件是已知的，因此它相当于一份带有“标准答案”的练习材料。研究人员可以用它反复测试各种关键步骤，比如怎样去掉仪器效应，怎样识别并剔除宇宙线，怎样从复杂背景里尽可能稳定地提取行星信号从而尽量避免未来在真实数据处理中出现误判。

仿真还可以帮助评估仪器性能。比如，在不同曝光时间、不同增益设置下，探测灵敏度会如何变化，目标的信噪比又会提升到什么程度，这些都可以先通过模拟来判断。这样一来，真正上天观测时，很多关键参数的设置就已经有了充分的依据。

同时，它也能服务于更靠前的科学准备。CPI-C未来将面向太阳附近40秒差距内的一批F、G、K型恒星开展高对比度观测，希望先找到可能存在的行星，再通过多波段测光和后续分析，尽量了解这些目标的大气和物理特征。为了做到这一点，前期必须先知道哪些目标更值得优先观测，怎样安排观测顺序更有效率，哪些观测设置更适合不同阶段的任务。CPISM正是为这些决策提供了极佳的演练机会。

所以，CPISM的意义，不只是给仪器“把关”，也是帮整个科学任务建立信心。

结语

CPI-C的征程，是驶向一片寂静而深邃的战场，在极强的恒星光旁边，去捕捉行星暗点。CPISM所做的，正是把这种准备尽可能提前。它把天体信号、光学系统、探测器响应和数据处理需求放进同一条数字流程里，让许多正式观测时可能暴露出来的问题，提前在计算机里通过演练得到有效解决。

当未来某一天，CSST的镜头真正指向星空，CPI-C在暗区中首次捕捉到系外行星的清晰指纹时，那份激动人心的发现背后，必将凝聚着来自今天这场无声演习的每一份数据、每一次迭代与每一点信心。正是这些在发射前就已进行的无数次“曝光”，让我们在仰望星空时，底气十足！

参考资料与延伸阅读：

[1] Jiang-Pei Dou, Xi Zhang, Gang Zhao, Ming-Ming Xu, et al. “CPI-C: Cool Planet Imaging Coronagraph on Chinese Space Station Survey Telescope.” Research in Astronomy and Astrophysics, 2026, 26, 055021.
DOI：https://doi.org/10.1088/1674-4527/ae4a04
[2]Gang Zhao, Yiming Zhu, Jiangpei Dou, et al. “Mock Observations for the CSST Mission: CPI-C–Instrument Simulation.” Research in Astronomy and Astrophysics, 2026, 26, 024010.
DOI：https://doi.org/10.1088/1674-4527/ae2102
[3] Yi-Ming Zhu, Gang Zhao, Jiang-Pei Dou, et al. “Mock Observations for the CSST Mission: CPI-C–Targets for High Contrast Imaging.” Research in Astronomy and Astrophysics, 2026, 26, 024011.
DOI：https://doi.org/10.1088/1674-4527/ae2100
[4] Chun-Hui Bao, Jiang-Hui Ji, Gang Zhao, et al. “Direct Imaging for the Debris Disk around epsilon Eridani with the Cool-planet Imaging Coronagraph.” Research in Astronomy and Astrophysics, 2026, 26, 055022.
DOI：https://doi.org/10.1088/1674-4527/ae4a03
[5]Gang Zhao, Su Wang, and Jiangpei Dou. “The Role of Self-gravity in Debris-disk Warp Formation: The Case of HD 110058.” The Astrophysical Journal Letters, 2026, 996, L31.
DOI：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae2c72

朱轶名，中国科学院南京天文光学技术研究所博士后。主要从事天文数据处理工作和系外行星物理性质研究。
赵刚，中国科学院南京天文光学技术研究所副研究员，硕士生导师。主要从事系外行星直接成像探测相关技术与数据处理算法的研究。
窦江培，中国科学院南京天文光学技术研究所研究员，博士生导师，现任中国空间站工程巡天望远镜（CSST）系外行星成像星冕仪（CPI-C）项目主任设计师和责任科学家。太阳系外行星超高对比度成像技术与实测专家。