Израильские ученые научились повышать разрешение телескопа без увеличения его зеркала

Эти разработки позволят повысить качество телескопов, сэкономив средства на производстве дорогих точных зеркал большого диаметра.

Предел дифракции преодолен! Исследователи Техниона впервые увеличили разрешение телескопа, не увеличивая его зеркало.

Эти разработки израильских ученых могут значительно улучшить разрешение телескопов, экономя при этом расходы на производство дорогих и точных зеркал повышенного размера. Исследование, проведенное аспирантом Галем Гумпелем под руководством доктора Эреза Рибака с физического факультета Техниона, было опубликовано в специальном выпуске по астрофотонике научного журнала Journal of the Optical Society of America B.

Разрешение телескопа - резкость его изображения - это наименьший угол между двумя наблюдаемыми объектами, при котором их все еще можно визуально различить. Предел разрешения вызван физическим явлением, известным как дифракция: световые лучи преломляются и рассеиваются вокруг объектов на своем пути (в данном случае зеркала телескопа) когда они движутся в фокальную плоскость, где находится оптическй детектор (глаз наблюдателя или камера). Исходный угол света размывается, в результате чего наблюдаемый объект, в данном случае звезда, выглядит как нечеткое пятно. Две соседние звезды будут выглядеть как перекрывающиеся нечеткие пятна, которые мы больше не можем различить.

Есть два основных способа уменьшить дифракцию и улучшить разрешение, установленных принципом неопределенности квантовой механики. Одним из них является уменьшение длины волны, например, за счет освещения объекта синим светом вместо красного; другой - увеличение апертуры телескопа (диаметра его зеркала или собирающей линзы). Поскольку в астрономии мы наблюдаем естественный свет, на характеристики которого не можем повлиять, мы не можем уменьшить длину волны, и остается лишь увеличивать апертуру. Действительно, гигантские телескопы, построенные в последние десятилетия, обеспечивают очень высокое разрешение. В телескопах среднего размера или космических телескопах, ограниченных размерами и мощью ракеты-носителя, разрешение все еще остается серьезной проблемой.

Эксперимент Техниона был основан на усилении фотонов (световых частиц). Когда фотон, приходящий от звезды, пересекает апертуру телескопа, он достигает светового усилителя, атомной среды, которая реагирует, испуская множество дополнительных фотонов, идентичных исходному фотону как по направлению, так и по длине волны. Эти "фотоны-клоны" также подчиняются начальному дифракционному пределу, но благодаря своему количеству они позволяют лучше измерить угол, под которым оригинальный астрономический фотон пересек апертуру телескопа.

Это усовершенствование позволяет улучшить разрешение телескопа без увеличения его размера, однако до сих пор не приветствовалось, потому что одновременно со стимулированными фотонами атомы спонтанно излучают в самых разных направлениях "стихийные" фотоны, которые создают очень яркий фон и снижают искомое повышение разрешения телескопа.

В результате Гумпелю и Рибаку пришлось отдельно измерять также спонтанные фотоны. В лабораторном эксперименте они сначала блокировали «звездный» свет, измеряя только фоновое излучение,а затем измеряли как стимулированные, так и спонтанные фотоны одновременно, получая изображение искомого источника ("звезды") путем вычитания фонового излучения из комбинированной картины. Такой эксперимент проводится с белым светом впервые, поскольку большинство усилителей света (например, в лазерах) работают только на одной длине волны, а не по всему спектру.

По мнению исследователей, «одним из возможных недостатков метода является потеря чувствительности на конечных изображениях, но это приемлемая цена за столь существенно повышенное разрешение. Потерю чувствительности можно частично преодолеть за счет увеличения времени экспозиции (периода наблюдения)».

Фото: Технион

Источник: MFA
Фото: Pixabay