שיטה שפותחה בשיתוף חוקרים בטכניון צפויה לחולל שיפור דרמטי בכושר ההפרדה של טלסקופים
כתב העת Optics Letters מבשר על פיתוח חדש העשוי לשפר משמעותית את כושר ההפרדה של טלסקופים. המחקר נערך על ידי ד”ר אגלה קלרר מאוניברסיטת קיימברידג’ (בריטניה) ופרופ’ ארז ריבק מהפקולטה לפיזיקה בטכניון.
פרופ’ ארז ריבק במעבדתו
כושר ההפרדה (רזולוציה) של טלסקופים, כלומר רמת החדות של התמונה המתקבלת בהם, מוגבל בין השאר על ידי כושר ההפרדה הזוויתי: הזווית הקטנה ביותר בין שני עצמים נצפים שבה הם עדיין נראים נפרדים (ולא כעצם אחד).
כושר ההפרדה הזוויתי, מצדו, נקבע על ידי תופעת העקיפה: גלי האור האור “מתעקמים” סביב מכשולים הנקרים בדרכם – שולי הטלסקופ במקרה זה – והאור חודר לאזור שבו אמור היה להיות צל. תופעה זו גורמת לכך שהעצם הנצפה (כוכב, למשל) לא ייראה לנו כנקודה “נקייה” אלא כמערכת של טבעות, ושני עצמים קרובים ייראו לנו כשתי מערכות-טבעות ה”עולות” זו על זו. במילים אחרות, לא נוכל להבדיל בין שני העצמים.
אחת הדרכים להפחתת העקיפה – כלומר לשיפור ההפרדה הזוויתית – היא הגדלת היחס שבין אורך הגל לקוטר העדשה. כאשר מדובר במיקרוסקופ ניתן לעשות זאת על ידי הקטנת אורך הגל של האור המלאכותי המוקרן; באסטרונומיה, בה אנו מתבססים על האור הטבעי שאינו בשליטתנו, ולכן הפתרון המתבקש הוא הגדלת קוטר העדשה. ואכן, הטלסקופים העצומים הנבנים בעשורים האחרונים מספקים כושר הפרדה זוויתי גבוה מאוד. בטלסקופים בגודל בינוני, לעומת זאת, בעיית ההפרדה הזוויתית עדיין משמעותית מאוד.
החדשות הטובות בעניין זה מתפרסמות כאמור בכתב העת Optics Letters, הרואה אור במסגרת האגודה האופטית האמריקאית. הטכנולוגיה שפיתחו החוקרים בקיימברידג’ ובטכניון מאפשרת הפרדה זוויתית גבוהה גם בטלסקופים בגודל בינוני, וזאת באמצעות “מעקף של גבול העקיפה”.
השיטה שמציעים שני החוקרים מבוססת על הגברת פוטונים: מעבר לעדשת הטלסקופ מוצב מַגְבֵּר, שהוא תווך המכיל אטומים. כאשר פוטון אסטרונומי מגיע מהכוכב ועובר את עדשת הטלסקופ הוא פוגע באחד האטומים האלה וגורם לו לשחרר מספר רב של פוטונים (פוטונים מאולצים). גם פוטונים אלה כפופים לתופעת העקיפה, אולם מאחר שהם “באים בכמויות גדולות” אפשר לשחזר, על פי פגיעתם בגלאי ועל סמך חישובים מתמטיים וסטטיסטיים, את זווית הפגיעה של הפוטון המקורי (האסטרונומי) בעדשה. זאת בניגוד לחישוב ישיר המתבסס על הפוטון המקורי בלבד (בהעדר מגבר). השיטה החדשנית מגבירה את כושר ההפרדה הזוויתי של הטלסקופ פי 10 – וזאת בלי להגדיל את העדשה.
הרתיעה הקיימת משימוש בהגברת פוטונים נובעת מכך שהפליטה המאולצת מלוּוה גם בפליטה ספונטנית המגבירה את הרעש במערכת (כלומר מקטינה את כושר ההפרדה). לכן מציעים קלרר וריבק לנקוט בשיטה החדשה רק בהתפרצויות פוטונים גדולות במיוחד ולא בהתפרצויות קטנות, שבהן הרעש היחסי רב.
שני החוקרים מציינים כי “אחד החסרונות האפשריים של השיטה המוצעת הוא אובדן הרגישות בתמונות המופקות, אולם זהו מחיר ראוי תמורת הקפיצה הדרמטית ברמת ההפרדה הזוויתית. יתר על כן, על אובדן הרגישות אפשר להתגבר חלקית באמצעות הגדלת זמני החשיפה, כלומר הארכת זמן התצפית.”
פרופ’ קלרר, שאחד ממחקריה האחרונים הוביל לגילוי כוכבי לכת הדומים לכדור הארץ במרחק 39 שנות אור מכדור הארץ, אומרת כי “אף שכוכבי לכת אלה קרובים אלינו במונחים אסטרונומיים יהיה קשה מאוד לבנות טלסקופים גדולים מספיק כדי לראותם. מכאן חשיבותה של התגלית המתפרסמת כעת.”
משמאל לימין: פוטונים אסטרונומיים נפלטים מהכוכב, עוברים את העדשה ומגיעים למגבר המכיל אטומים. אטום הנפגע מפוטון אסטרונומי פולט בתגובה כמות גדולה של פוטונים מאולצים (בירוק), הפוגעים בגלאי הטלסקופ ו”מדווחים” בדיוק גבוה על כיוון הפגיעה של הפוטון המקורי (האסטרונומי). רוב הפוטונים הספונטניים (באדום) מתפזרים לצדדים ואינם נקלטים בגלאי; לכן הרעש מועט וההפרדה אינה נפגעת באופן משמעותי