Когда астрономы обсуждают возможность определения экзопланеты, вращающейся вокруг удаленной звезды, они зачастую используют аналогию с попыткой рассмотреть искорку в свете огромного прожектора. Экзопланеты, похожие на Землю, обычно обладают гораздо меньшей яркостью, в среднем от 100 миллионов до 10 миллиардов раз тусклее своей звезды-хозяина, что делает их практически невидимыми. Однако недавно группа ученых под руководством Хёнсу Чхоя из Университета Ханян в Южной Корее опубликовала предшествующую статью на arXiv, в которой представлена теоретическая модель, использующая сочетание компьютерных алгоритмов и квантовой физики для решения этой сложной задачи.
Преодоление предела Релея
При близком расположении двух объектов, каждый из которых излучает фотоны, их свет становится неразличимым, если они находятся на расстоянии менее определенного предела, известного как предел Релея. В случае экзопланет это означает, что свет планеты полностью смешивается со светом звезды. Обычные фотодетекторы просто фиксируют фотон и не могут определить, откуда именно он пришел — от планеты или звезды.
Введение квантовой механики в эту проблему открывает новые горизонты. Фотоны несут гораздо больше информации, чем просто уровень их энергии, одним из таких показателей является форма волны. Измерение фотонов на основе их волновых характеристик называется пространственным измерением мод. Создав систему, в которой фотоны сортируются по своим волновым паттернам перед тем, как попасть на фотодетектор, исследователи могут извлекать ту дополнительную информацию, которую обычные камеры теряют.
Инновационные алгоритмы для обработки данных
Для того чтобы реализовать эту идею в реальном времени, авторам потребовалось создать непрерывную обратную связь в программном обеспечении для обработки изображений. Они внедрили логарифмическую шкалу, что позволило их алгоритму отслеживать экстремальные различия в яркости между планетой и звездой. Алгоритм начинает с оценки того, как выглядит звездная система, и рассчитывает симметричную логарифмическую производную, которая указывает сортировщику фотонов, как корректировать процесс, чтобы максимизировать количество сохраняемой квантовой информации. К тому же, вместо предполагаемого числа планет исследование использует статистический инструмент, известный как Байесовский информационный критерий.
После внедрения обратной связи, авторы протестировали алгоритм на смоделированной звездной системе с одной звездой и двумя планетами. Одна из них была в 10 тысяч раз тусклее своей звезды, а другая — в 100 миллионов раз, причем обе находились внутри предела Релея. Используя методы Монте-Карло, алгоритм правильно определил общее количество объектов с вероятностью 72.5%. В тех случаях, когда система работала, она могла локализовать планеты с точностью до пикселя и оценить истинную яркость тусклой планеты с точностью до фактора двух в 99.7% случаев, при условии правильной оценки количества объектов.
Перспективы применения в реальных условиях
Хотя статья описывает лишь компьютерную симуляцию, она представляет собой значительный шаг вперед в разработке квантовых систем для обнаружения экзопланет, которые могут находиться в 100 миллионов раз тусклее своих звезд. Это гораздо более высокие показатели, чем у существующих квантовых систем, способных работать лишь с контрастом 1/1000.
Тем не менее, следует заметить, что реальные телескопы подвержены многим источникам шума, и пока неясно, как алгоритм справится с этими реальными проблемами. Авторы симуляции намеренно нарушили выравнивание виртуального телескопа, что позволило тестировать адаптивные возможности алгоритма — его точность снизилась лишь до 71.3%.
Мнение SpaceDiscover
Это исследование открывает новые перспективы в поисках экзопланет и подчеркивает потенциал применения квантовых технологий в астрономии. Если подобные алгоритмы будут успешно адаптированы для работы с реальными телескопами, мы можем рассчитывать на прорывы в обнаружении экзопланет, которые раньше казались недостижимыми. Будущее астрономии может оказаться на пороге новой эры, где квантовая физика играет ключевую роль в изучении дальнего космоса.
Не забудьте подписаться на наши каналы Дзен, Telegram и ВК.
Мы всегда рады видеть вас среди наших читателей и подписчиков SpaceDiscover!
