Mit Quantenphysik auf der Suche nach der „Erde 2.0“
Seoul (Südkorea) – Quantenphysik – Physik also, die sich eigentlich auf die kleinsten Teilchen bezieht – ist sicher nicht das Erste, was einem in den Sinn kommt, wenn man nach ganzen Planeten um ferne Sterne suchen will. Doch genau dies schlägt eine Studie zu einem neuen theoretischen Ansatz nun vor, der erdgroße und erdähnliche Exoplaneten sogar direkt abbilden könnte.
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Das bisherigen Hauptproblem bei der direkten Beobachtung erdähnlicher Exoplaneten: Die meisten dieser Welten sind im Vergleich zu ihrem Zentralstern extrem lichtschwach und werden von dessen Helligkeit nahezu vollständig überstrahlt.
Die direkte Abbildung eines Exoplaneten wird oft mit dem Versuch verglichen, ein Glühwürmchen neben einem leistungsstarken Suchscheinwerfer zu erkennen. Erdähnliche Planeten sind typischerweise zwischen 100 Millionen und 10 Milliarden Mal lichtschwächer als ihr Mutterstern. Hinzu kommt ein weiteres physikalisches Hindernis: Liegen zwei Lichtquellen sehr dicht beieinander, verschwimmen ihre Lichtsignale unterhalb der sogenannten Rayleigh-Grenze zu einem einzigen Lichtfleck. Im Fall eines Sterns und eines nahen Exoplaneten geht das Licht des Planeten dadurch praktisch vollständig im Sternenlicht unter. Herkömmliche Detektoren registrieren zwar einzelne Photonen, können jedoch nicht bestimmen, ob diese vom Stern oder vom Planeten stammen.
Quantenphysik liefert zusätzliche Informationen
In seinem aktuell vorab via ArXiv.org veröffentlichten Artikel beschreibt das Team um Hyunsoo Choi von der Hanyang University nun ein neues theoretisches Verfahren. Dieses kombiniert Quantenphysik mit intelligenten Computeralgorithmen und so die Suche nach einer „Erde 2.0“ künftig deutlich verbessern, wenn nicht sogar revolutionieren könnte.
Der neue Ansatz will nun eine Eigenschaft der Quantenphysik für die Suche nach erdähnlichen Exoplaneten nutzen: Photonen transportieren nicht nur Informationen über ihre Helligkeit oder Energie, sondern auch über ihre Wellenform.
Mithilfe sogenannter räumlicher Modenmessungen („spatial-mode measurements“) sollen Photonen zunächst entsprechend ihrer Wellenmuster sortiert werden, bevor sie den eigentlichen Detektor erreichen. Dadurch lassen sich zusätzliche Informationen gewinnen, die herkömmlichen Kameras verborgen bleiben.
Intelligenter Algorithmus optimiert die Messung
Um dieses Verfahren praktisch nutzbar zu machen, entwickelten die Wissenschaftler eine kontinuierliche Rückkopplung zwischen Photonensortierung und Bildanalyse: Zunächst arbeitet der Algorithmus mit einer logarithmischen Skala, um die enormen Helligkeitsunterschiede zwischen Stern und Planet verarbeiten zu können. Während das Programm schrittweise rekonstruiert, wie viele Objekte sich im beobachteten Sternsystem befinden könnten, berechnet es fortlaufend eine sogenannte „Symmetric Logarithmic Derivative“. Diese Information steuert den Photonensortierer so nach, dass möglichst viele quantenmechanische Informationen erhalten bleiben.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist der Einsatz des Bayes’schen Informationskriteriums (Bayesian Information Criterion). Anstatt dem Programm vorzugeben, wie viele Planeten gesucht werden sollen, entscheidet der Algorithmus anhand statistischer Kriterien selbst, welche Anzahl von Objekten die Beobachtungsdaten am besten erklärt.
Erfolgreiche Tests in Computersimulationen
Die Forschenden testeten ihren Ansatz in einer Simulation eines Sternsystems mit einem Stern und zwei Planeten. Einer der beiden Planeten war lediglich 10.000-mal lichtschwächer als sein Stern, der zweite sogar 100 Millionen Mal lichtschwächer. Beide befanden sich innerhalb der Rayleigh-Grenze und wären mit klassischen Verfahren praktisch nicht auflösbar gewesen.
In zahlreichen Monte-Carlo-Simulationen erkannte der Algorithmus die korrekte Anzahl der Himmelskörper in 72,5 Prozent der Fälle. War die Anzahl der Objekte korrekt bestimmt, konnte das System die Positionen der Planeten bis auf einen einzigen Bildpunkt genau bestimmen. Die Helligkeit des extrem lichtschwachen Planeten wurde dabei in 99,7 Prozent der erfolgreichen Durchläufe bis auf einen Faktor zwei korrekt abgeschätzt.
Um die Bedingungen realer Beobachtungen besser nachzubilden, führten die Wissenschaftler zusätzlich künstliche Störungen in ihre Simulation ein, etwa eine absichtlich verschlechterte Ausrichtung des virtuellen Teleskops.
Trotz dieser zusätzlichen Fehlerquellen blieb die Leistungsfähigkeit des Systems nahezu erhalten. Die Erfolgsquote bei der Bestimmung der Objektanzahl sank lediglich geringfügig auf 71,3 Prozent.
Allerdings weisen die Autoren darauf hin, dass reale Teleskope noch zahlreiche weitere Störquellen aufweisen, deren Einfluss bislang nicht untersucht wurde. Wie robust der Algorithmus unter tatsächlichen Beobachtungsbedingungen arbeitet, muss daher erst noch gezeigt werden.
Potenzial für die Suche nach „Erde 2.0“
Noch handelt es sich ausschließlich um einen theoretischen Ansatz, der bislang lediglich in Computersimulationen getestet wurde. Dennoch sehen die Autoren darin einen bedeutenden Fortschritt für die Entwicklung quantenbasierter Bildgebungsverfahren.
Nach ihren Berechnungen könnte das neue Verfahren künftig Planeten nachweisen, die bis zu 100 Millionen Mal lichtschwächer sind als ihr Zentralstern. Das wäre eine erhebliche Verbesserung gegenüber bisherigen quantenoptischen Bildgebungssystemen, die derzeit lediglich Helligkeitskontraste von etwa 1 zu 1.000 bewältigen können.
Sollte sich das Konzept künftig auch unter realen Beobachtungsbedingungen bewähren, könnte es den direkten Nachweis besonders lichtschwacher, erdähnlicher Exoplaneten entscheidend erleichtern und damit neue Möglichkeiten bei der Suche nach potenziell lebensfreundlichen Welten eröffnen.
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Recherchequelle: ArXiv.org
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