Η άμεση απεικόνιση ενός εξωπλανήτη που περιστρέφεται γύρω από ένα μακρινό άστρο αποτελεί μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σύγχρονης αστρονομίας. Οι επιστήμονες συχνά παρομοιάζουν το πρόβλημα με την προσπάθεια εντοπισμού μιας πυγολαμπίδας δίπλα σε έναν τεράστιο προβολέα, καθώς ένας πλανήτης σαν τη Γη μπορεί να είναι από 100 εκατομμύρια έως 10 δισεκατομμύρια φορές πιο αμυδρός από το άστρο του.
Μια νέα θεωρητική μελέτη προτείνει ότι η λύση μπορεί να βρίσκεται στον συνδυασμό προηγμένων αλγορίθμων υπολογιστών και κβαντικής φυσικής. Η εργασία του Hyunsoo Choi από το Πανεπιστήμιο Hanyang στη Νότια Κορέα και των συνεργατών του, η οποία δημοσιεύθηκε ως προδημοσίευση στο arXiv, παρουσιάζει ένα σύστημα κβαντικής απεικόνισης που θα μπορούσε να εντοπίσει εξαιρετικά αμυδρούς εξωπλανήτες.
Το όριο Rayleigh και το πρόβλημα της ανίχνευσης
Όταν δύο φωτεινά αντικείμενα βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους, το φως τους συγχωνεύεται σε μία ενιαία εικόνα αν η απόστασή τους είναι μικρότερη από το λεγόμενο όριο Rayleigh. Στην περίπτωση ενός εξωπλανήτη, αυτό σημαίνει ότι το φως του χάνεται μέσα στη λάμψη του μητρικού άστρου.
Οι συμβατικοί ανιχνευτές φωτονίων μπορούν να καταγράψουν το φως, αλλά δεν μπορούν να γνωρίζουν αν ένα συγκεκριμένο φωτόνιο προέρχεται από τον πλανήτη ή από το άστρο.
Η κβαντική φυσική προσφέρει μια διαφορετική προσέγγιση. Τα φωτόνια δεν μεταφέρουν μόνο πληροφορίες για την έντασή τους, αλλά και για το σχήμα του κύματός τους. Μέσω μιας τεχνικής που ονομάζεται χωρική μέτρηση τρόπου, οι ερευνητές μπορούν να ταξινομούν τα φωτόνια με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά πριν φτάσουν στον ανιχνευτή.
Ένας αλγόριθμος που μαθαίνει από το φως
Για να λειτουργήσει το σύστημα σε πραγματικό χρόνο, οι ερευνητές δημιούργησαν έναν μηχανισμό συνεχούς ανατροφοδότησης μεταξύ του αλγορίθμου ανάλυσης και του κβαντικού συστήματος μέτρησης.
Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί λογαριθμική κλίμακα ώστε να διαχειρίζεται τεράστιες διαφορές φωτεινότητας μεταξύ άστρου και πλανήτη. Παράλληλα, υπολογίζει τη λεγόμενη Συμμετρική Λογαριθμική Παράγωγο, η οποία καθοδηγεί το σύστημα ώστε να διατηρεί όσο το δυνατόν περισσότερες κβαντικές πληροφορίες.
Οι ερευνητές αντικατέστησαν επίσης την ανθρώπινη εκτίμηση για τον αριθμό των ουράνιων σωμάτων με το στατιστικό εργαλείο Bayesian Information Criterion, επιτρέποντας στο σύστημα να αποφασίζει μόνο του πόσα αντικείμενα υπάρχουν στην εικόνα.
Εντυπωσιακά αποτελέσματα σε προσομοιώσεις
Στις προσομοιώσεις, οι επιστήμονες δοκίμασαν ένα σύστημα με ένα άστρο και δύο πλανήτες. Ο ένας πλανήτης ήταν 10.000 φορές πιο αμυδρός από το άστρο, ενώ ο άλλος 100 εκατομμύρια φορές πιο αμυδρός.
Παρά το γεγονός ότι και οι δύο βρίσκονταν κάτω από το όριο Rayleigh, ο αλγόριθμος κατάφερε να αναγνωρίσει σωστά τον συνολικό αριθμό αντικειμένων στο 72,5% των περιπτώσεων.
Όταν το σύστημα λειτουργούσε σωστά, μπορούσε να εντοπίσει τη θέση των πλανητών με ακρίβεια ενός εικονοστοιχείου και να εκτιμήσει τη φωτεινότητα του εξαιρετικά αμυδρού πλανήτη με ακρίβεια σχεδόν 99,7%, εφόσον είχε υπολογίσει σωστά τον αριθμό των αντικειμένων.
Ακόμη και όταν οι ερευνητές εισήγαγαν τεχνητό θόρυβο, όπως μικρές αποκλίσεις στην ευθυγράμμιση του τηλεσκοπίου, η επιτυχία μειώθηκε ελάχιστα, στο 71,3%.
Από τη θεωρία στην αναζήτηση νέων κόσμων
Η μελέτη βασίζεται μέχρι στιγμής σε υπολογιστικές προσομοιώσεις και όχι σε πραγματικό τηλεσκόπιο. Ωστόσο, αποτελεί σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη κβαντικών συστημάτων απεικόνισης που θα μπορούσαν να εντοπίζουν πλανήτες με αντίθεση φωτεινότητας έως και 100 εκατομμύρια φορές μικρότερη από το άστρο τους.
Η καταστολή του έντονου φωτός των άστρων αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην αναζήτηση πλανητών που μοιάζουν με τη Γη. Αν η τεχνολογία αυτή μεταφερθεί από τις προσομοιώσεις σε πραγματικές διατάξεις, θα μπορούσε να ανοίξει έναν νέο δρόμο για την ανακάλυψη της λεγόμενης «Γης 2.0» και την αναζήτηση κόσμων που μέχρι σήμερα παρέμεναν κρυμμένοι μέσα στη λάμψη των άστρων τους.
