Создано устройство, которое поможет обнаружить жизнь за пределами Земли — оно блокирует звездный свет

Новый тип коронографа — оптического устройства, блокирующего интенсивный свет, — может позволить напрямую получать изображения экзопланет, которые обычно скрыты в ярком свете своих родительских звезд. Это нововведение может помочь обнаружить планеты за пределами Солнечной системы, на что не способны современные телескопы.

Планеты земного типа в обитаемой зоне — области вокруг звезды, где температура может позволить существование жидкой воды — могут быть в миллиард раз тусклее своей звезды. Это затрудняет их обнаружение, поскольку их слабый свет подавляется яркостью звезды. Новая конструкция коронографа «откачивает» звездный свет, который может заслонять свет экзопланеты, перед тем как сделать снимок.

Изобретение описано в журнале Optica Publishing Group, там же команда ученых показала, что устройство теоретически может достичь фундаментальных пределов обнаружения экзопланет, установленных квантовой оптикой. По сравнению с другими конструкциями коронографов, новый прибор обещает предоставить больше информации о так называемых субдифракционных экзопланетах — тех, которые лежат ниже пределов разрешения телескопа. 

Оптический анализ экзопланет представляет собой сложную задачу, поскольку в астрономических масштабах они часто находятся слишком близко к своей родительской звезде для определения современными телескопами. Хотя астрономы разработали различные способы косвенного вывода о наличии планеты вокруг предполагаемой звезды, прямое наблюдение экзопланет на снимках было бы идеальным для науки.

Уже появилось много конструкций коронографов, каждая из которых имеет различные практические и теоретические компромиссы в плане производительности. В то же время недавние исследования показали, что традиционные представления о разрешении телескопов не отражают фундаментальных ограничений и их можно обойти с помощью тщательной оптической предварительной обработки.

Потому исследователи решили использовать имеющийся в лаборатории сортировщик пространственных мод для разработки усовершенствованного коронографа, который теоретически отклоняет весь свет от осевой звезды, достигая при этом максимальной пропускной способности внеосевой экзопланеты.

Подобно тому, как ноты фортепиано излучают различные акустические частоты, источники света в космосе возбуждают различные пространственные моды — уникальные формы и модели колебаний — в зависимости от их положения. Исследователи разделили эти моды, используя сортировщик мод для изоляции и устранения света от звезды и сортировщик обратных мод для повторного составления оптического поля после того, как свет звезды был отклонен. Это позволило сделать снимок экзопланеты без света звезды.

То есть коронограф напрямую фиксирует изображение экзопланеты, а не измеряет только количество света от экзопланеты без какой-либо пространственной ориентации. После настройки коронографа в лаборатории исследователи построили искусственную сцену звезда-экзопланета, в которой экзопланета была расположена достаточно близко к звезде, чтобы ее нельзя было различить с помощью традиционного телескопа. Коэффициент контрастности между звездой и планетой был установлен на уровне 1000:1.

Изображения, полученные с помощью экспериментальной установки, позволили оценить положение экзопланеты на субдифракционных расстояниях между планетой и звездой. Сейчас ученые работают над улучшением сортировщика мод, чтобы уменьшить перекрестные помехи — тип помех, при которых свет просачивается через различные оптические моды. Для сцен с умеренными уровнями контрастности перекрестные помехи не являются большой проблемой. Однако экстремальные контрасты, обнаруженные в науке об экзопланетах, потребуют очень высокоточного сортировщика пространственных мод, чтобы в достаточной степени изолировать свет от звезды.