Snimiti planet koji kruži oko druge zvijezde iznimno je teško. Njegova je svjetlost u odnosu na zvijezdu vrlo slaba, a na nebu se često nalazi toliko blizu nje da se oba izvora na snimci sliju u jednu svijetlu mrlju.
Istraživači su sada u računalnim simulacijama predstavili kvantno-optičku metodu koja bi mogla izdvojiti takve slabe izvore svjetlosti i onda kada su unutar granice razlučivosti klasičnog teleskopa. Sustav još nije testiran na stvarnom teleskopu, ali je u modelu uspio razlučiti zvijezdu i dva mnogo slabija izvora smještena vrlo blizu nje.
Zašto je planet uz zvijezdu tako teško snimiti
Većina danas poznatih egzoplaneta nije otkrivena izravnom snimkom. Astronomi ih najčešće pronalaze kada planet nakratko prođe ispred svoje zvijezde i malo joj smanji sjaj ili kada gravitacijom izazove sitno gibanje zvijezde.
Izravno snimanje mnogo je zahtjevnije jer teleskop mora uhvatiti svjetlost koja dolazi od samog planeta. Kod planeta nalik Zemlji razlika u sjaju može biti golema. Planet u nastanjivoj zoni obližnje zvijezde može biti između sto milijuna i deset milijardi puta slabiji od zvijezde oko koje kruži.
Pritom nije problem samo u količini svjetlosti. Planet i zvijezda na nebu su vrlo blizu jedno drugome. Kada je njihov kutni razmak manji od tzv. Rayleighove granice, osnovnog ograničenja razlučivosti optičkog sustava, njihove se slike počinju preklapati. Na klasičnom detektoru slab signal planeta tada se izgubi u sjaju zvijezde.
Koronagrafi pokušavaju prigušiti svjetlost zvijezde i već su omogućili snimanje pojedinih velikih planeta. Ipak, na malim udaljenostima od zvijezde njihova učinkovitost brzo pada. Upravo su na tom području planeti u nastanjivim zonama svojih zvijezda najteže dostupni.
Metoda ne bilježi samo običnu sliku
Predloženi pristup ne pokušava tek dodatno zatamniti zvijezdu. Umjesto toga, svjetlost koja ulazi u instrument razvrstava se prema prostornim modovima, odnosno prema načinu na koji je valno polje raspoređeno u optičkom sustavu.
Obični senzor bilježi gdje je foton stigao i od tih podataka stvara sliku. Nova metoda najprije usmjerava fotone u različite mjerne kanale, a zatim iz broja fotona u svakom kanalu pokušava odrediti koliko izvora svjetlosti postoji, gdje se nalaze i koliki je njihov relativni sjaj.
Sustav pritom nije statičan. Nakon prvih mjerenja izračunava najvjerojatniji raspored izvora, a zatim prilagođava sljedeće mjerenje kako bi iz novih fotona izvukao što više korisnih podataka. Ne pretpostavlja unaprijed ni koliko se izvora nalazi u promatranom području. Počinje s većim brojem mogućnosti, a statistički postupak postupno odbacuje one za koje nema dovoljno dokaza.
Takav pristup ima jednu važnu prednost. U uvjetima u kojima klasična snimka više ne može jasno razdvojiti zvijezdu i slabi izvor uz nju, informacije o njihovu položaju nisu nužno potpuno izgubljene. Potrebno ih je iz svjetlosti izdvojiti drukčijim mjerenjem.
Simulacija je razlikovala izvore unutar granice razlučivosti
U glavnom testu istraživači su simulirali prizor s trima točkastim izvorima: jednom sjajnom zvijezdom, izvorom 10.000 puta slabijim od nje i drugim, 100 milijuna puta slabijim izvorom. Sva tri izvora nalazila su se unutar polovice Rayleighove granice, gdje ih klasična snimka ne bi mogla pouzdano razlučiti.
U 12.000 računalnih simulacija metoda je u prosjeku u 72,5 posto slučajeva ispravno odredila broj izvora, njihove položaje i približne sjajeve. Kada je sustav ispravno prepoznao cijelu konfiguraciju, svjetlinu najslabijeg izvora procijenio je unutar faktora dva u 99,7 posto slučajeva.
Autori su provjerili i što se događa kada mjerni sustav nije savršeno poravnan. U tom je testu uspješnost pala s 72,5 na 71,3 posto. To pokazuje da metoda u simulaciji nije bila osobito osjetljiva na ograničenu pogrešku poravnanja, no taj rezultat ne može se izravno prenijeti na stvarna opažanja.
Važno je i da simulirani izvori nisu stvarni otkriveni planeti. Riječ je o numeričkom testu kojim se provjerava može li metoda izdvojiti vrlo slab izvor uz mnogo sjajniji.
Od računalnog modela do teleskopa
Najveće ograničenje rada upravo je u tome što svi rezultati dolaze iz simulacija. Model pretpostavlja idealiziran oblik slike zvijezde, savršeno razvrstavanje prostornih modova i ograničen skup izvora svjetlosti. Svaka iteracija simulacije računala je i s približno bilijunom zabilježenih fotona.
Stvarni teleskop morao bi se nositi s nizom dodatnih problema: nesavršenostima zrcala, promjenama valne fronte, propuštanjem zvjezdane svjetlosti, pozadinskim zračenjem, šumom detektora, gubitkom fotona i pogreškama kalibracije. Sve to može znatno promijeniti rezultate dobivene u idealiziranom modelu.
Metoda je zasad testirana do kontrasta od jedan prema sto milijuna. To je još uvijek oko stotinu puta manje zahtjevno od izravnog snimanja istinskog analoga sustava Zemlja-Sunce, gdje je Zemlja u vidljivoj svjetlosti približno deset milijardi puta slabija od Sunca. Ipak, takav bi raspon mogao biti zanimljiv za stjenovite planete u nastanjivim zonama nekih obližnjih crvenih patuljaka.
Sljedeći korak bit će laboratorijska provjera stvarnog optičkog sustava. Tek nakon toga moći će se procijeniti može li se ovakav pristup primijeniti na teleskopima i pomoći u potrazi za planetima koji su danas potpuno skriveni uz svoje zvijezde.
