Zdjęcia czarnych dziur będą jeszcze dokładniejsze? Są na to szanse

Interferometria wielkobazowa zrewolucjonizuje astronomię? Obserwacje będą jeszcze dokładniejsze

W astronomii szykuje się prawdziwa rewolucja. Zupełnie nowe możliwości obserwacyjne otworzy interferometria wielkobazowa. Co to za technika?

Interferometria wielkobazowa (VLBI) to rodzaj interferometrii, w której dane są odbierane przez niezależne od siebie radioteleskopy, znajdujące się w dużych odległościach od siebie (np. na różnych kontynentach). Są one zapisywane razem z dokładnym czasem obserwacji i przechowywane do późniejszej analizy.

Badania przeprowadzone przez naukowców z Australii i Singapuru wykazały, że VLBI można jeszcze ulepszyć, stosując nowe techniki kwantowe. Mowa o tzw. stymulowanym pasażu adiabatycznym Ramana (STIRAP). Technika ta może umożliwić obserwacje VLBI na wcześniej niedostępnych długościach fal, a tym samym ujawnić szczegółowe dane o czarnych dziurach, egzoplanetach i powierzchniach odległych gwiazd.

Badaniami kierowała Zixin Huang, doktorantka z Centre for Engineered Quantum Systems (EQuS) na Uniwersytecie Macquarie w Sydney w Australii. Wraz z nią pracowali Gavin Brennan, profesor fizyki teoretycznej na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej oraz w Centrum Technologii Kwantowych Narodowego Uniwersytetu Singapuru (NUS) oraz Yingkai Ouyang, starszy pracownik naukowy w Centrum Technologii Kwantowych NUS.

Nadchodzi interferometria kwantowa

Interferometria to nic innego jak łączenie światła z różnych teleskopów w celu uzyskania złożonych obrazów obiektów, które w innym przypadku byłyby niemożliwe do uchwycenia. Interferometria wielkobazowa odnosi się do specyficznej techniki stosowanej w radioastronomii, w której sygnały ze źródeł radiowych (np. pulsarów, czarnych dziur, kwazarów) są łączone w celu uzyskania szczegółowych obrazów ich struktury i aktywności.

Czytaj też: Czujnik kwantowy inny niż wszystkie. Fizycy stworzyli go z cząsteczki wodoru

W ostatnich latach technika VLBI pozwoliła wykonać wiele spektakularnych zdjęć, m.in. czarnej dziury Sgr A* czy M87*. Ale VLBI można jeszcze usprawnić, stosując metody kwantowe.

Obecne, najnowocześniejsze systemy obrazowania interferometrii wielkobazowej działają w mikrofalowym paśmie widma elektromagnetycznego. Aby zrealizować interferometrię optyczną, wszystkie części interferometru muszą być stabilne z dokładnością do ułamka długości fali świetlnej, tak aby światło mogło interferować. Jest to bardzo trudne do osiągnięcia na dużych odległościach: źródłem szumu może być sam instrument, rozszerzanie i kurczenie się pod wpływem temperatury, wibracje itp. Ideą tego kierunku badań jest umożliwienie nam przejścia z mikrofal na częstotliwości optyczne; techniki te mają również zastosowanie w podczerwieni. Już teraz możemy wykonywać interferometrię wielkobazową w zakresie mikrofal. Jednak w zakresie częstotliwości optycznych zadanie to staje się bardzo trudne, ponieważ nawet najszybsze układy elektroniczne nie są w stanie bezpośrednio zmierzyć oscylacji pola elektrycznego w tych częstotliwościach.Zixin Huang z EQuS

Kluczem do pokonania tych ograniczeń jest zastosowanie technik komunikacji kwantowej, takich STIRAP, które polega na wykorzystaniu dwóch koherentnych impulsów światła do przesyłania informacji optycznej między dwoma odpowiednimi stanami kwantowymi. Zastosowanie tej techniki w VLBI pozwoli na wydajne i selektywne przenoszenie populacji między stanami kwantowymi bez problemów związanych z szumem czy stratami.

Kwantowa korekcja błędów to szybko rozwijająca się dziedzina, której głównym celem jest umożliwienie skalowalnych obliczeń kwantowych w obecności błędów. W połączeniu z przedrozproszonym splątaniem możemy wykonywać operacje, które wydobywają potrzebne nam informacje ze światła gwiazdy, jednocześnie tłumiąc szumy.Zixin Huang

W niedalekiej przyszłości Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) wykorzysta swój zaawansowany zestaw instrumentów obrazowania w podczerwieni, aby scharakteryzować atmosfery egzoplanet jak nigdy dotąd. To samo dotyczy obserwatoriów naziemnych, takich jak Ekstremalnie Duży Teleskop (ELT), Teleskop Magellana (GMT) i Thirty Meter Telescope (TMT).