Les technologies quantiques peuvent détecter les exoplanètes

27/10/2021 à 8h00 CEST

Les astronomes ont identifié près de 5 000 exoplanètes en orbite autour de 3 200 étoiles en dehors du système solaire, mais nous savons qu’il y en a beaucoup plus, même si nous avons des problèmes techniques pour savoir où elles se trouvent.

Ces problèmes techniques peuvent être résolus en appliquant les résultats de nouvelles recherches, développées par des astronomes d’Australie et du Royaume-Uni, selon lesquelles les exoplanètes peuvent être directement observées à l’aide de méthodes quantiques appliquées à l’analyse d’images de télescope.

Jusqu’à présent, la plupart des exoplanètes ont été observées indirectement, en mesurant la baisse d’intensité lumineuse des étoiles en orbite qui se produit lorsqu’elles passent devant leurs soleils respectifs.

Ils ont également été identifiés en mesurant l’effet des exoplanètes sur la vitesse de l’étoile qu’elles orbitent, appelée vitesse radiale.

Seulement 1,2 % des exoplanètes connues ont été observées directement à travers la lumière qu’elles réfléchissent, bien qu’en raison de la présence d’un soleil puissant dans leur environnement, il soit difficile de le distinguer de la lumière de son étoile.

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Imagerie quantique

Imagerie quantiqueCe que la nouvelle recherche a montré, c’est que les techniques d’imagerie quantique peuvent être utilisées pour améliorer la détection directe des exoplanètes : il suffit de traiter les images d’étoiles et de planètes obtenues par les télescopes comme des objets quantiques.

L’image quantique est celle obtenue en codant l’information d’une image à l’aide de systèmes de mécanique quantique, en lieu et place des systèmes de traitement d’images classiques.

Dans les images quantiques, le traitement classique de l’information est remplacé par le quantique, qui est basé sur l’intrication de photons (partageant des identités séparées) et le parallélisme (processus de calcul simultanés).

La nouvelle technique, mise au point par une équipe composée du professeur Zixin Huang, de l’université Macquarie en Australie, et de Cosmo Lupo, de l’université de Sheffield au Royaume-Uni, utilise des techniques de traitement d’images quantiques pour déterminer l’espacement des sources lumineuses incohérentes provenant de exoplanètes.

Deux états possibles

Deux états possiblesDans son modèle, la lumière captée par un télescope peut exister sous deux états possibles, similaires à ceux des particules quantiques : l’un celui de la lumière émise par une étoile par elle-même, un autre celui de la lumière émise par une planète.

Les deux auteurs ont montré que deux techniques d’imagerie quantique connues peuvent être utilisées pour déterminer si le centre optique d’une image de télescope correspond au centre d’une étoile, ou au centre d’un système étoile-planète.

Ils soulignent que la présence de l’exoplanète dans ce système crée une signature distinctive dans la distribution spatiale des photons capturés par le télescope, qui peut être reconnue dans les analyses ultérieures effectuées avec des systèmes quantiques.

Les systèmes quantiques valables pour la détection directe d’exoplanètes sont basés sur l’interférométrie, qui combine la lumière de différents émetteurs (dans ce cas de l’étoile et du système étoile-planète) pour obtenir une image à plus haute résolution, qui est finalement décrite en termes géométriques (orthogonal projection).

Facteurs clés

Facteurs clésLa revue PhysicsWorld ajoute à cet égard que Huang et Lupo ont pu déterminer que la probabilité d’erreur lors de la discrimination entre ces deux états de lumière captée dépend de trois facteurs clés : la séparation entre une planète et son étoile ; la différence de luminosité entre les deux objets ; et le nombre de photons collectés par le télescope.

En tenant compte de ces facteurs, les astronomes peuvent détecter même les exoplanètes les plus faibles, celles les plus proches de leurs étoiles hôtes, d’une manière beaucoup plus cohérente que les systèmes actuels ne le proposent.

Sa formule permet d’identifier les exoplanètes même si leur orbite ne croise pas l’étoile vue de la Terre, ce que permettent les systèmes de détection indirecte actuels, soulignent les chercheurs.

Un point ou deux dans le ciel

Un point ou deux dans le cielL’idée générale derrière ce résultat est que les techniques quantiques utilisent les informations de phase contenues dans le signal optique capturé par les télescopes pour localiser les exoplanètes cachées des systèmes de détection traditionnels.

Étant donné que ces informations ne sont pas correctement exploitées par les méthodes d’imagerie directe, les techniques quantiques pourraient être plus efficaces, note PhysOrg.

« La détection d’exoplanètes se résume à savoir si nous pouvons distinguer un point et deux points dans le ciel », a expliqué Huang au magazine susmentionné.

Référence

RéférenceTest d’hypothèse quantique pour la détection d’exoplanètes. Zixin Huang et Cosmo Lupo. Rév. 127, 130502; 23 septembre 2021. DOI : https : //doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.130502

Photo du haut : l’exoplanète Kepler-186f, située à 492,3 années-lumière de la Terre, habite une région autour de l’étoile hôte où la température est adaptée à l’eau liquide. Sa taille est très similaire à celle de la Terre. Crédit : NASA Ames / SETI Institute / JPL-Caltech.

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