עקיפת גבול העקיפה

ד”ר ארז ריבק

מאמר חדש מבשר על שיפור משמעותי בכושר ההפרדה של טלסקופים. המחקר נערך על ידי הדוקטורנט גל גומפל בהנחיית ד”ר ארז ריבק מהפקולטה לפיזיקה בטכניון והתפרסם ב-Journal of the Optical Society of America B – כתב עת של החברה האופטית האמריקאית – בגיליון המוקדש לאסטרופוטוניקה.

כושר ההפרדה של טלסקופים, כלומר הרזולוציה שלהם – רמת החדות של התמונה המתקבלת בהם -מוגבל בין השאר על ידי הזווית הקטנה ביותר בין שני עצמים נצפים שבה הם עדיין נראים נפרדים (ולא כעצם אחד). כושר ההפרדה, מצדו, נקבע על ידי תופעת העקיפה: גלי האור מתפזרים סביב מכשולים הנקרים בדרכם – שולי מראת הטלסקופ במקרה זה – והאור חודר לאזור שבו אמור היה להיות צל. תופעה זו גורמת לכך שהעצם הנצפה (כוכב, למשל) לא ייראה לנו כנקודה חדה אלא כמערכת של טבעות, ושני עצמים קרובים ייראו לנו כשתי מערכות-טבעות העולות זו על זו. במילים אחרות, לא נוכל להבדיל בין שני העצמים.

שתי דרכים להפחתת העקיפה – כלומר לשיפור כושר ההפרדה – היא הקטנת אורך הגל (כמו במיקרוסקופיה) והגדלת קוטר המראה. מאחר שבאסטרונומיה אנו מתבססים על האור הטבעי שאינו בשליטתנו, לא נוכל להקטין את אורך הגל ולכן לא נותר אלא להגדיל את המראה, כלומר את מפתח הטלסקופ. ואכן, הטלסקופים העצומים הנבנים בעשורים האחרונים מספקים כושר הפרדה גבוה מאוד; אולם בטלסקופים בגודל בינוני, כגון אלה המשוגרים לחלל ולכן מוגבלים בגודלם מסיבות לוגיסטיות, בעיית ההפרדה עדיין משמעותית מאוד.

הניסוי שביצעו חוקרי הטכניון מבוסס על הגברת פוטונים (חלקיקי אור): כאשר פוטון המגיע מהחלל עובר את מפתח הטלסקופ הוא נכנסים למַגְבֵּר – תווך המכיל אטומים; פגיעת הפוטון באטום מאלצת את האטום לשחרר מספר רב של פוטונים זהים לפוטון המקורי. אלו נקראים פוטונים מאולצים, והם נעים באותו כיוון כמו הפוטון המקורי ,ובאותו אורך גל. גם פוטונים אלה כפופים לתופעת העקיפה, אולם מספרם הרב מאפשר לשחזר, על פי פגיעתם בגלאי ועל סמך חישובים מתמטיים וסטטיסטיים, את זווית המעבר של הפוטון המקורי (האסטרונומי) במפתח הטלסקופ. זאת בניגוד לצילום ישיר המתבסס על הפוטון המקורי בלבד (בהעדר מגבר). השיטה החדשנית מגבירה את כושר ההפרדה של הטלסקופ וזאת בלי להגדיל את קוטרו.

הדוקטורנט גל גומפל

הרתיעה הקיימת משימוש בהגברת פוטונים נובעת מכך שהפליטה המאולצת מלוּוה גם בפליטה ספונטנית חזקה וקבועה המגבירה את הרעש במערכת ולכן מקטינה את כושר ההפרדה. לכן נקטו החוקרים בשיטה המודדת גם את הפליטה הספונטנית. בניסוי מעבדה הם הסתירו את אור ה”כוכב” לסרוגין, כך שבחלק מהזמן הם מדדו רק את הפליטה הספונטנית, וחלק אחר מהזמן שימש למדידה של שתי הפליטות, הספונטנית והמאולצת. תמונת הכוכב מתקבלת על ידי חיסור שתי המדידות וכך מנטרלת את הרעש ומשאירה רק את המידע הרלוונטי. זו הפעם הראשונה שבוצע ניסוי כזה באור לבן, שכן רוב מגברי הפוטונים (כמו אלו הקיימים בלייזרים) פועלים רק באורך גל (צבע) אחד.

החוקרים מציינים כי “אחד החסרונות האפשריים של השיטה המוצעת הוא אובדן הרגישות בתמונות המופקות, אולם זהו מחיר ראוי תמורת הקפיצה ברמת ההפרדה הזוויתית. יתר על כן, על אובדן הרגישות אפשר להתגבר חלקית באמצעות הגדלת זמני החשיפה, כלומר הארכת זמן התצפית.”

למאמר ב- Journal of the Optical Society of America B לחצו כאן

מבנה המערכת

בתרשים משמאל לימין: פוטונים אסטרונומיים (חלקיקי אור לבן) נפלטים מהכוכב, עוברים את מפתח הטלסקופ ומגיעים למגבר המכיל אטומים. אטום הנפגע מפוטון אסטרונומי פולט בתגובה כמות גדולה של פוטונים מאולצים זהים (מסומנים בירוק), הפוגעים בגלאי הטלסקופ בדיוק גבוה מכיוון הפגיעה של הפוטון המקורי (האסטרונומי). בה בעת נוצרים במגבר פוטונים ספונטניים (מסומנים באדום) המתפזרים לכל עבר ומציפים את הגלאי, כך שנוצר רקע קבוע המסתיר את אור הכוכב. כדי להתגבר על מגבלה זו מדדו החוקרים את ממוצע הפוטונים הספונטניים על ידי חסימת אור הכוכב וצילום הרקע בלבד. באמצעות חיסור הרקע הצליחו החוקרים לשחזר את תמונת הכוכב בהפרדה גבוהה