En ny teori til at teste hypoteser og metoder til exoplanetdetektion

Utallige astrofysikere og astronomer søger aktivt efter uobserverede himmellegemer i universet, da opdagelse af disse kroppe kunne forbedre vores forståelse af rummet og hjælpe med at løse ubesvarede astrofysiske spørgsmål. Blandt disse undvigende objekter er exoplaneter, planeter, der kredser om en anden stjerne end solen, altså uden for solsystemet.

En afgørende udfordring, der forhindrer detektionen af ​​exoplaneter, er, at med eksisterende metoder, det er svært at se en svag emission af en sekundær kilde, der er i nærheden af ​​en meget lysere kilde. Dette begrænser betydeligt brugen af ​​direkte billeddannelsesteknikker i exoplanetsøgninger.

Forskere ved University of Sheffield i Det Forenede Kongerige og Macquarie University i Australien har for nylig vist, at det måske er muligt at reducere fejl ved at opdage tilstedeværelsen af ​​en svag sekundær kilde under exoplanetsøgninger, især i tilfælde, hvor to kilder har små vinkeladskillelser. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , foreslår specifikt, at disse fejl kan reduceres ved hjælp af kvantetilstandsdiskrimination og kvantebilleddannelsesmetoder.

"Vores arbejde var inspireret af nylige artikler om kvantebilleddannelse i superopløsning, som først blev nøje kvantificeret af Mankei Tsang og hans kolleger ved National University of Singapore, "Zixin Huang, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Disse papirer viste, at vinkeladskillelsen af ​​to usammenhængende kilder kan løses meget bedre ved at bruge kvanteteknikker (dette er en estimeringsopgave, hvor parameteren vi ønsker at måle er vinkeladskillelsen)."

Den generelle idé bag undersøgelsen udført af Huang og hendes kollega Cosmo Lupo er, at kvanteteknikker bruger den faseinformation, der er indeholdt i det optiske signal. Da denne information ikke udnyttes korrekt af direkte billeddannelsesmetoder, kvanteteknikker kunne vise sig at være mere effektive.

Mens forskerne ved University of Sheffield først overvejede denne idé, Huang så en spekulativ dokumentar på Netflix kaldet "Alien Worlds". Filmen spekulerer i mulige livsformer, der kunne eksistere på andre planeter, og udforsker, hvordan de kan se ud.

Mens jeg så "Alien Worlds, "det kom til mig, at kvanteteknikker kunne bruges til en kvantediskriminationsopgave, som i sidste ende, påvisningen af ​​exoplaneter bunder i, om vi kan se forskel på en plet og to pletter på himlen, Huang forklarede. "Med dette i tankerne, vi tænkte at undersøge, om der kan opnås en kvantefordel for en diskriminationsopgave. Det viser sig, at det kan!"

Huang og Lupo anvendte et eksisterende resultat i kvanteinformationsteorien til at afgrænse sandsynligheden for en falsk negativ (dvs. når en eksisterende planet savnes af forskere). En sådan fejlsandsynlighed er udtrykt ved en funktion kaldet den relative entropi, som enten er klassisk eller kvante. Huang og Lupo viste, at den relative kvanteentropi er meget større end den klassiske.

"Med andre ord, informationen er der allerede i lyset; vi har simpelthen beregnet den ultimative kvantegrænse for, hvor godt du kan klare denne opgave, " sagde Huang. "Vi ønskede at minimere falske negativer, fordi planeter er sjældne, og vi vil meget hellere begå en fejl ved at finde noget frem for at gå glip af det. Med lidt held, vi fandt også den matchende måling, der kunne opnå disse fejlsandsynligheder."

I fremtiden, metoden introduceret af Huang og Lupo kunne tjene som benchmark for eksperimentatorer, der ønsker at vurdere effektiviteten af ​​eksisterende teknikker til exoplanetdetektion. Ud over, det kunne inspirere til udvikling af alternative optiske billedbehandlingsværktøjer, både til astronomi- og mikroskopistudier.

"Vores metode gælder for en bred vifte af bølgelængder, hvilket betyder, at de potentielle anvendelser også omfatter fluorescensmikroskopi, LIDAR detektion, og andre billeddannelsesteknikker, " Huang tilføjede. "Vi samarbejder nu med Heriot-Watt University for at udføre en proof-of-princip eksperimentel demonstration af fordelen opdaget i papiret. Vi vil også fortsætte med at undersøge, til hvilken kapacitet kvante kan hjælpe med at afbilde visse astronomiske objekter."

Som en del af deres fremtidige arbejde, Huang og Lupo planlægger også at designe en stor baseline, sammenfiltringsaktiverede teleskoparrays til optisk billeddannelse. De fleste eksisterende kohærente teleskoparrays er baseret på mikrobølgeteknologi. Imidlertid, hvis forskerne var i stand til at flytte disse i det optiske domæne, de kunne potentielt øge denne tekniks opløsning med 3 til 5 størrelsesordener.

© 2021 Science X Network