Учені планують створити телескоп завбільшки із Землю. Звучить неможливо, але реальність значно цікавіша

15 травня 2021, 08:03
НВ Преміум
Вы также можете прочесть этот материал на русском языке

Уявіть, як чорна діра розриває зірку. Уявили? Ось і вченим, фактично, залишається робити те саме. Однак незабаром, можливо, вони створять телескоп, який допоможе їм спостерігати за космосом із неймовірним рівнем деталізації.

На допомогу їм прийде інтерферометрія. Це відносно нова техніка спостережень за космосом, яка полягає в тому, щоб «перемішувати» сигнали телескопів і формувати з них набагато чіткіші зображення. Причому, чим більшим виходить «загальне» дзеркало, тим більше деталей космосу ми зможемо побачити. Наприклад, зараз учені працюють над створенням телескопа Джеймса Вебба і Гігантським Магеллановим телескопом, які зможуть відкрити перед нами нові горизонти. Однак у дзеркал і їхніх розмірів є межа — саме тому одним із подальших етапів розвитку космічних спостережень є оптична інтерферометрія. Потенційно вона може об'єднувати телескопи по всьому світу в єдину мережу.

Відео дня

Звучить складно, але насправді зрозуміти принцип цієї техніки досить просто. Учені фіксують сигнал і час фотонів (тобто світло, фотон — це фундаментальна його частка), коли їх уловлює один із телескопів. Те ж саме відбувається і в іншій частині планети. Після цього, усі ці «картинки» з різних телескопів об'єднують в єдине зображення. Ось проста анімація, яка наочно показує принцип роботи інтерферометрії.

Наприклад, перша фотографія чорної діри, яку зробили у 2019 році, була отримана після синхронізації сигналів, що надійшли у вісім радіотелескопів, розкиданих по всьому світу. Фактично, ці телескопи мали роздільність лінзи, ширина якої дорівнювала відстані між ними — так фактично і вийшов телескоп розміром із Землю.

EHT Collaboration

Фото: EHT Collaboration

Для отримання такого складного зображення радіохвилі, які потрапляли на кожен із телескопів, були точно позначені та збережені, після чого їх «зшили» воєдино. У радіоастрономії таку процедуру вважають відносно нескладною завдяки тому, що астрономи зазвичай досліджують надзвичайно яскраві об'єкти, а самі радіохвилі відносно великі, що полегшує завдання зі створення єдиної картини з них.

З оптичною інтерферометрією все складніше. Оптичні телескопи працюють із досить тьмяними джерелами, а видимі довжини хвиль становлять сотні нанометрів, що залишає набагато менше місця для помилок при вирівнюванні хвиль залежно від того, коли вони потрапили в різні телескопи.

Оптичні телескопи, які перебувають недалеко один від одного, можна пов’язувати оптичними волокнами. Наприклад, у 2019 році завдяки цьому методу вчені, що працюють із комплексом Very Large Telescope, змогли вперше в історії спостерігати за екзопланетою — і навіть дізнатися, що її атмосфера охоплена гігантською бурею.

Однак підключення телескопів на відстані більше кілометра — надзвичайно складний і дорогий процес. Звичайні жорсткі диски не підходять для того, щоб зберігати інформацію про кожен фотон. Тому вчені розробляють квантові запам’ятовувальні пристрої, які повинні у багато разів поліпшити результати оптичної інтерферометрії.

Австралійські вчені нещодавно запропонували схему, яка потенційно може з'єднати телескопи, розташовані в різних частинах світу. За основу вони взяли двощілинний інтерферометр Юнґа.

На початку 1800-х років Томас Юнґ провів своє дослідження з метою зрозуміти, із чого складається світ — із частинок чи хвиль. Для цього він установив ширму з двома прорізями, поставив позаду неї проєкційний екран, і направив на ширму світло. Якби світло складалося з частинок, то на екрані можна було б побачити лише дві смуги світла, які пройшли через щілини, тоді як інші частини екрану залишалися б неосвітленими. Однак на екрані відобразився цілий ряд смуг, що в підсумку стало основою для хвильової теорії світла.

Цей же принцип працює і з фотонами світла, які прибувають на Землю з космосу. Фактично, за рахунок своєї хвильової природи, вони вражають усі телескопи на планеті — просто якийсь із них отримує чіткіший сигнал, ніж інші. Учені пропонують підключити до кожного телескопа квантовий жорсткий диск, який може записувати та зберігати хвилеподібні стани прибулих фотонів, при цьому не порушуючи їх. Потім ці жорсткі диски потрібно зібрати в одному місці, щоб синхронізувати й перемішати отримані сигнали. Таким чином дослідники зможуть відтворити зображення з неймовірно високою роздільною здатністю завдяки тому, що в його створенні брав участь не один телескоп, а ціла мережа.

Залишилося найскладніше — навчитися створювати квантові жорсткі диски, які зможуть зберігати великий обсяг інформації протягом тривалого періоду часу. Зараз це не виглядає як щось, що стане доступним найближчим часом. Наприклад, найкращим результатом оптичних запам’ятовувальних пристроїв, які записують квантові стани фотонів, є збереження інформації на 1 хвилину. Минулого місяця китайські вчені створили квантовий повторювач, який зможе збільшити цей час до 1 години — але очевидно, що цього все одно недостатньо для нормальної експлуатації мережі телескопів.

Ідеальний вирішенням цієї проблеми міг би стати квантовий інтернет. Він теж потребує використання квантових повторювачів, однак замість фізичного переміщення жорстких дисків він дозволив би передавати стани фотонів на відстані, що значно прискорило б усі процеси. Однак зараз він перебуває в іще більш зародковому стані, ніж переносні квантові жорсткі диски, а тому серед учених зараз немає консенсусу з приводу оптимального шляху розвитку.

Джосс Бланд-Готорн, один із творців запам’ятовувального пристрою з ядер європію, вбудованих у кристал, упевнений, що майбутнє саме за фізичними носіями. Їхній пристрій може зберігати квантовий стан фотонів 5−7 годин, потенційно — кілька днів. Учений упевнений, що створення квантового Інтернету «віддалене від реальності на десятиліття», тоді як квантові жорсткі диски зможуть давати результат уже найближчим часом.

poster
Підписатись на щоденну email-розсилку
матеріалів розділу Техно
Розсилка про те як технології змінють світ
Щопонеділка

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X