Ученые планируют создать телескоп размером с Землю (видео)

Представьте, как черная дыра разрывает звезду. Представили? Вот и ученым, фактически, остается делать то же самое. Однако вскоре, возможно, они создадут телескоп, который поможет им наблюдать за космосом с невероятным уровнем детализации, пишет НВ.

На помощь им придет интерферометрия. Это относительно новая техника наблюдений за космосом, которая заключается в том, чтобы «перемешивать» сигналы телескопов и формировать из них гораздо более четкие изображения. Причем, чем больше получается «общее» зеркало, тем больше деталей космоса мы сможем увидеть. Например, сейчас ученые работают над созданием телескопа Джеймса Уэбба и Гигантским Магеллановым телескопом, которые смогут открыть перед нами новые горизонты. Однако у зеркал и их размеров есть предел — именно поэтому одним из следующих этапов развития космических наблюдений является оптическая интерферометрия. Потенциально она может объединять телескопы по всему миру в единую сеть.

Звучит сложно, но на самом деле понять принцип этой техники достаточно просто. Ученые фиксируют сигнал и время фотонов (то есть свет, фотон — это фундаментальная его частица), когда их улавливает один из телескопов. То же самое происходит и в другой части планеты. После этого, все эти «картинки» с разных телескопов объединяют в единое изображение. Вот простая анимация, которая наглядно показывает принцип работы интерферометрии.

Например, первая фотография черной дыры, которую сделали в 2019 году, была получена после синхронизации сигналов, поступивших в восемь радиотелескопов, разбросаных по всему миру. Фактически, эти телескопы обладали разрешением линзы, ширина которой равнялась расстоянию между ними — так фактически и получился телескоп размером с Землю.

Для получения такого сложного изображения, радиоволны, которые попадали на каждый из телескопов, были точно помечены и сохранены, после чего их «сшили» воедино. В радиоастрономии такая процедура считается относительно несложной благодаря тому, что астрономы обычно исследуют чрезвычайно яркие объекты, а сами радиоволны относительно велики, что облегчает задачу по созданию единой картины из них.

С оптической интерферометрией все сложнее. Оптические телескопы работают с достаточно тусклыми источниками, а видимые длины волн составляют сотни нанометров, что оставляет гораздо меньше места для ошибок при выравнивании волн в зависимости от того, когда они попали в разные телескопы. Оптические телескопы, которые находятся недалеко друг от друга можно связывать оптическими волокнами. Например, в 2019 году благодаря этому методу ученые, работающие с комплексом Very Large Telescope, смогли впервые в истории наблюдать за экзопланетой — и даже узнать, что ее атмосфера охвачена гигантской бурей.

Однако подключение телескопов на расстоянии более километра — чрезвычайно сложный и дорогой процесс. Обычные жесткие диски не подходят для того, чтобы сохранять информацию о каждом фотоне. Поэтому ученые разрабатывают квантовые запоминающие устройства, которые должны во много раз улучшить результаты оптической интерферометрии.

Австралийские ученые недавно предложили схему, которая потенциально может соединить телескопы, расположенные в разных частях света. За основу они взяли двухщелевой интерферометр Юнга.

В начале 1800-х годов Томас Юнг провел свое исследование с целью понять, из чего состоит свет — из частиц или волн. Для этого он установил ширму с двумя прорезями, поставил позади нее проекционный экран, и направил на ширму свет. Если бы свет состоял из частиц, то на экране можно было бы увидеть лишь две полосы света, которые прошли через щели, в то время как остальные части экрана оставались бы неосвещенными. Однако на экране отобразился целый ряд полос, что в итоге стало основой для волновой теории света.

Этот же принцип работает и с фотонами света, которые прибывают на Землю из космоса. Фактически, за счет своей волновой природы, они поражают все телескопы на планете — просто какой-то из них получает более четкий сигнал, чем другие. Ученые предлагают подключить к каждому телескопу квантовый жесткий диск, который может записывать и сохранять волнообразные состояния входящих фотонов, при этом не нарушая их. Затем эти жесткие диски нужно собрать в одном месте, чтобы синхронизировать и перемешать полученные сигналы. Таким образом исследователи смогут воссоздать изображение с невероятно высоким разрешением благодаря тому, что в его создании участвовал не один телескоп, а целая сеть.

Осталось самое сложное — научиться создавать квантовые жесткие диски, которые смогут хранить большой объем информации в течение длительного периода времени. Сейчас это не выглядит как что-то, что станет доступным в скором времени. Например, лучшим результатом оптических запоминающих устройств, которые записывают квантовые состояния фотонов, является сохранение информации на 1 минуту. В прошлом месяце китайские ученые создали квантовый повторитель, который сможет увеличить это время до 1 часа — но очевидно, что этого все равно недостаточно для нормальной эксплуатации сети телескопов.

Идеальный решением этой проблемы мог бы стать квантовый интернет. Он тоже требует использования квантовых повторителей, однако вместо физического перемещения жестких дисков он позволил бы передавать состояния фотонов на расстоянии, что значительно ускорило бы все процессы. Однако сейчас он находится в еще более зачаточном состоянии, чем переносимые квантовые жесткие диски, а потому среди ученых сейчас нет консенсуса по поводу оптимального пути развития.

Джосс Бланд-Хоторн, один из создателей запоминающего устройства из ядер европия, встроенных в кристалл, уверен, что будущее именно за физическими носителями. Их устройство может хранить квантовое состояние фотонов 5−7 часов, потенциально — несколько дней. Ученый уверен, что создание квантового Интернета «удалено от реальности на десятилетия», в то время как квантовые жесткие диски смогут давать результат уже в ближайшее время.