Смел пробив в астрономията: Квантовата физика може да помогне за откриването на „Земя 2.0“

Когато астрономите говорят за директно заснемане на екзопланета, която обикаля около далечна звезда, най-често използваната от тях аналогия е опитът да се забележи светулка до мощен прожектор. Една екзопланета, подобна на Земята, е невероятно бледа – обикновено между 100 милиона и 10 милиарда пъти по-бледа от своята звезда-гостоприемник. Разбираемо е, че това ги прави много трудни за наблюдение. Но нова статия на Хюнсу Чой от Университета Ханянг в Южна Корея и неговите съавтори, която е достъпна в предварителна версия в arXiv, описва теоретично решение – да се използва комбинация от интелигентни компютърни алгоритми и квантова физика.

Квантовата физика вероятно не е първото нещо, което ни идва на ум, когато мислим за заснемането на нещо толкова голямо като планета. Всъщност фундаменталното противоречие в сърцевината на физиката – между квантовата механика и относителността – също не предвещава нищо добро за нейната полезност. Но за да разберем как точно тя може да бъде полезна, първо е полезно да разберем концепцията за границата на Рейли (Разсейването на Рейли).

Ако два обекта са изключително близо един до друг и всеки от тях излъчва фотони, светлината им се слива в едно-единствено петно, ако разстоянието между тях е по-малко от това, известно като границата на Рейли. В случая с екзопланетите това би означавало, че светлината на планетата е напълно погълната от тази на звездата. А един обикновен фотодетектор просто ще регистрира фотон и няма да може да различи дали този фотон идва от планетата или от нейната звезда-гостоприемник.

Фрейзър говори за надпреварата за откриването на „Земя 2.0“

В квантовата механика фотоните съдържат много повече информация, освен само енергийното си ниво (или „яркостта“ си). Една от тези частици информация е известна като форма на вълната, а измерването на фотона въз основа на неговата вълнова форма се нарича измерване на пространствения режим. Чрез проектирането на система, в която фотоните се сортират според вълновите си модели, преди да достигнат фотонния детектор, системата може да извлече тази допълнителна информация, която обикновените камери пропускат.

За да може това да работи в реално време, се налага да се вгради непрекъсната верига за обратна връзка в софтуера за анализ на изображенията. Първо, те въвеждат логаритмична скала, за да гарантират, че алгоритъмът им може да проследява екстремните разлики в яркостта между планетата и звездата. Когато алгоритъмът започне да предполага как изглежда звездната система (т.е. колко планети и звезди има), той изчислява така нареченото „симетрично логаритмично производно“, което указва на сортиращото устройство за фотони как да се пренастрои и коригира, за да се гарантира запазването на максималното количество квантова информация. И, което е от решаващо значение, те заменят човешката преценка за броя на планетите, които алгоритъмът трябва да търси, със статистически инструмент, наречен „Байесов информационен критерий“ (Bayesian Information Criterion).

Въздействието на обратната връзка

След като прилагат своята обратна връзка, авторите тестват алгоритъма върху симулирана звездна система с една звезда и две планети – едната от които е само 10 000 пъти по-тъмна от своята звезда-гостоприемник, докато другата е 100 милиона пъти по-тъмна, като и двете са в рамките на границата на Рейли. Използвайки симулации по метода на Монте Карло (при които началните условия леко варират при многократното изпълнение на симулацията), алгоритъмът правилно отгатва общия брой обекти (т.е. 3) в 72,5% от случаите.

В случаите, когато системата е работила, тя е успявала да определи и точното местоположение на планетите в симулацията с точност до един пиксел. Тя също така е успявала да оцени истинската яркост на ултраслабата планета с отклонение не по-голямо от два пъти в 99,7% от случаите, като се приема, че е оценила правилно броя на обектите.

Потискането на звездната светлина е едно от основните предизвикателства при откриването на екзопланети

Симулациите са чудесни, но не винаги се пренасят безпроблемно в реалния свят. Въпреки това авторите са направили всичко възможно да го симулират, като умишлено са нарушили ориентацията на виртуалния телескоп при създаването на наборите от данни, използвани в симулацията. Алгоритъмът е успял да се адаптира към този изкуствено въведен шум в реално време, като процентът на успеваемост е спаднал само до 71,3%. Въпреки това в реалните телескопи има множество други източници на шум и към момента не е ясно доколко добре алгоритъмът може да се справи с други видове „шум“.

Трябва да се признае, че статията описва само една компютърна симулация. Но дори и така, тя представлява огромен скок напред в разработването на квантови системи за изображения, които биха могли да откриват планети, които са до 100 милиона пъти по-слабо осветени от своята звезда – значително подобрение в сравнение с настоящите квантови системи за изображения, които могат да постигнат само 1/1 000 контраст между целевата планета и нейната звезда.

Тя също така ясно очертава пътя напред за разработчиците на хардуер. Въпреки че физическите реализации обикновено изостават значително от теоретичните доказателства, това е само въпрос на време, преди някой да създаде такава система и да се опита да открие нова екзопланета с нея. Остава да се види какви други проблеми ще трябва да бъдат разрешени, за да бъде това начинание успешно. Но само от чисто теоретично-физическа гледна точка тази комбинация от търсене на екзопланети с квантова визуализация е наистина уникален подход към една от най-завладяващите области на съвременната астрономия.