Увидеть планету рядом с далёкой звездой почти так же трудно, как заметить светлячка возле мощного прожектора. Землеподобная экзопланета может светить в 100 миллионов или даже 10 миллиардов раз слабее своей звезды. Обычная камера в такой ситуации фиксирует почти исключительно звёздный свет, а слабый сигнал планеты теряется внутри яркого пятна. Исследователи из Южной Кореи предложили искать такие миры с помощью квантовых свойств света и алгоритма, который учится различать источники отдельных фотонов.
Главное ограничение связано не только с яркостью. Звезда и планета находятся на огромном расстоянии от Земли, поэтому на изображении располагаются почти вплотную друг к другу. Когда два источника света разделяет слишком маленький угол, их изображения сливаются. Граница, после которой телескоп уже не может уверенно различить два объекта, называется пределом Рэлея.
Если планета находится внутри предела Рэлея, её свет не образует отдельную точку. Фотоны звезды и планеты попадают в один размытый участок изображения. Обычный фотодетектор может зарегистрировать частицу света и определить её энергию, но не способен понять, прилетела она от звезды или от расположенного рядом мира.
Авторы новой работы предлагают использовать дополнительную информацию, которую несёт каждый фотон. В квантовой механике свет описывается не только яркостью или длиной волны. Пространственная форма световой волны тоже зависит от положения источника. Подобную характеристику называют пространственной модой.
Специальная оптическая система может сортировать фотоны по форме волны ещё до попадания на детектор. В результате камера получает данные, которые обычная фотография выбрасывает. Даже если два объекта визуально слились в одно пятно, их фотоны могут немного отличаться по пространственному распределению.
Сам по себе сортировщик фотонов проблему не решает. Положение звезды, количество планет и их яркость заранее неизвестны, поэтому систему приходится постоянно перенастраивать. Исследователи создали замкнутый цикл: программа анализирует поступающие фотоны, строит предварительную модель системы, меняет параметры измерения и снова проверяет результат.
Алгоритм использует логарифмическую шкалу, чтобы одновременно работать с очень яркой звездой и планетами, которые слабее на многие порядки. Без такого преобразования звёздный сигнал подавил бы все небольшие изменения, связанные с тусклыми объектами.
После каждого этапа программа оценивает, какие настройки сортировщика сохранят максимум полезной информации. Для такого выбора используется величина под названием симметричная логарифмическая производная. За сложным термином скрывается практическая задача: алгоритм решает, как перестроить измерительную систему, чтобы следующие фотоны лучше помогли уточнить положение и яркость источников.
Ещё одна проблема касается числа объектов. Во многих моделях человеку приходится заранее указывать, сколько планет следует искать. Авторы отказались от этой подсказки и применили байесовский информационный критерий. Статистический метод сравнивает несколько возможных моделей и выбирает ту, которая достаточно хорошо объясняет данные без лишнего усложнения.
Работу системы проверили на виртуальной звезде с двумя планетами. Первая планета была в 10 000 раз тусклее звезды, вторая уступала ей по яркости в 100 миллионов раз. Оба объекта находились внутри предела Рэлея, поэтому обычный телескоп видел бы только одно пятно.
Исследователи провели серию испытаний методом Монте-Карло. Такой подход многократно повторяет расчёт с немного изменёнными начальными условиями, чтобы проверить устойчивость результата. Алгоритм правильно определил, что система состоит из трёх объектов, в 72,5% запусков.
После правильного определения количества источников программа находила положение обеих планет с точностью до одного пикселя. Яркость самой тусклой планеты алгоритм оценивал с погрешностью не больше двух раз в 99,7% успешных запусков. Для объекта, который в 100 миллионов раз слабее звезды, такая точность выглядит многообещающе.
Авторы также попытались приблизить симуляцию к реальному наблюдению. Они намеренно нарушили выравнивание виртуального телескопа, добавив ошибку, похожую на неточную настройку оптики. Алгоритм самостоятельно адаптировался к помехе, а доля правильных определений числа объектов снизилась лишь с 72,5 до 71,3%.
Настоящий телескоп столкнётся с более сложной картиной. Атмосферная турбулентность, вибрации, температурные изменения, дефекты оптики и собственный шум детекторов могут искажать пространственные моды света. Работа пока не показывает, насколько хорошо метод справится со всеми источниками помех одновременно.
Предложенная система существует только в виде компьютерной модели. Исследователи ещё не построили полноценный прибор и не наблюдали с его помощью настоящую экзопланету. Результаты показывают теоретическую возможность, а не готовую технологию для обсерваторий.
Тем не менее расчёты заметно расширяют предполагаемые возможности квантовой съёмки. Существующие экспериментальные системы обычно справляются с контрастом около одного к тысяче. Новая модель различала планету при соотношении яркости один к 100 миллионам.
Для практической реализации потребуется устройство, способное точно сортировать слабый свет по пространственным модам и быстро менять настройки по командам алгоритма. Система также должна работать с небольшим количеством фотонов, поскольку от далёкой планеты до телескопа доходит крайне слабый поток.
Квантовая обработка не делает экзопланету ярче и не устраняет свет звезды. Метод извлекает информацию, которую обычная камера не использует. Различие напоминает попытку отделить два голоса не по громкости, а по особенностям звучания, даже если один собеседник говорит намного громче другого.
Пока астрономы чаще получают прямые изображения молодых и крупных газовых гигантов, расположенных далеко от своих звёзд. Небольшие каменистые планеты в обитаемых зонах находятся гораздо ближе к светилам и отражают намного меньше света. Именно для подобных объектов повышение контрастности может оказаться особенно важным.
Следующим шагом станет создание лабораторной установки, которая проверит алгоритм на реальных фотонах и оптических компонентах. Успех ещё не гарантирует немедленного открытия второй Земли, но поможет понять, способна ли квантовая съёмка преодолеть одно из главных ограничений современной охоты за экзопланетами.