Rozdzielczość Wszechświata. Dlaczego nigdy nie wyostrzymy odległych galaktyk?

Paether · 21 Listopada 2015

Czy widzisz kropkę na dole znaku zapytania? Co jeśli odsuniesz się o kilka metrów? Najmniejszy szczegół, który może rozróżnić ludzkie oko jest mniej więcej wielkości takiej kropki widocznej z odległości jednego metra. To właśnie nazywamy "rozdzielczością". Najlepsza rozdzielczość dla układu optycznego, jak przykładowe oko, to w przybliżeniu stosunek długości obserwowanej fali światła i wielkości otworu, który przechodzi przez światło.

W astronomii rozdzielczość działa dokładnie tak samo. To wyjaśnia, dlaczego budujemy coraz większe teleskopy - wielkie teleskopy zbierają więcej światła, a więc "widzą dalej", po prostu oferują większe możliwości. Niestety, nowe badania sugerują, że Wszechświat posiada fundamentalne ograniczenie rozdzielczości, co oznacza, że nie ważne jak duże teleskopy zbudujemy, nie zobaczymy najbardziej odległych galaktyk tak wyraźnie, jak byśmy chcieli.

Obecne problemy z teleskopami

Największe teleskopy zbierające światło widzialne na Ziemi, takie jak SALT czy teleskopy Kecka, posiadają lustra około dziesięciu metrów średnicy, a obecnie planuje się (bądź już realizuje) budowę teleskopów o średnicy około 30 metrów jak E-ELT czy Gigantyczny Teleskop Magellana. Ale jest pewien problem: jeśli światło z obiektu (czy to świecy, latarni czy gwiazdy) jest zaburzone na jego drodze od źródła do detektora, to nigdy nie będziemy w stanie uzyskać obrazu tak ostrego jakby wskazywała na to teoretyczna rozdzielczość, bez względu na to, jak dużą zrobimy "przysłonę".

Wiemy, że światło może nas zwodzić i oszukiwać. Kiedykolwiek spojrzysz na dno basenu zobaczysz płytki, które pojawiają się i znikają, marszczą i wyginają. Gdy umieścisz słomkę w szklance z wodą zobaczysz, że pozornie "łamie się" na granicy powietrza i cieczy. Światło zanim dotrze do naszych teleskopów z odległego kosmosu musi przejść przez niespokojną atmosferę, a to powoduje problemy dla astronomów, obraz jest daleki od teoretycznej maksymalnej rozdzielczości. Aby sobie z tym poradzić, można umieścić teleskop powyżej atmosfery - jednak to rozwiązanie jest bardzo kosztowne, można też użyć optyki adaptatywnej - ale to jest technicznie trudne.

Kwantowa piana

Niedawne badania, przedstawione na Walnym Zgromadzeniu Międzynarodowej Unii Astronomicznej w tym roku, sugerują postrzeganie pozornie pustej przestrzeni jako tzw. piany kwantowej, która może być przyczyną pewnego rodzaju "fundamentalnej granicy rozdzielczości" kosmosu, co oznacza, że możemy być zaniepokojeni, jak dokładnie przyszłe teleskopy będą mogły zarejestrować najbardziej odległe galaktyki. Według mechaniki kwantowej, w najmniejszej skali, znanej jako skala Plancka, czyli wielkościach rzędu 10^-35metra, przestrzeń jest określana jako "piana". Fizyka kwantowa przewiduje, że wszechświat "wrze" za pomocą "cząstek wirtualnych", które pojawiają się, a następnie szybko anihilują. Jednak na ułamek sekundy te cząstki mają energię, a tym samym - zgodnie ze słynnym równaniem E = mc² - masę.

Cały tekst na moim blogu - https://astrofan.pl/rozdzielczosc-wszechswiata/

Apex · 21 Listopada 2015

Skoro wpływ atmosfery korygujemy optyką adaptatywną, to czy nie można zrobić tego samego w przypadku tych "kwantowych zniekształceń"?

dziki_rysio_997 · 21 Listopada 2015

Skoro wpływ atmosfery korygujemy optyką adaptatywną, to czy nie można zrobić tego samego w przypadku tych "kwantowych zniekształceń"?

Moim zdaniem to trochę inny rodzaj problemu. W optyce adaptatywnej możesz masz obiekt (gwiazda lub generowany sztucznie laserem) będący punktem odniesienia. W oparciu o analizę drgań tego obiektu wprowadzasz korekty.

Jak sądzę, specyfika zjawiska jest też nieco inna - falowanie atmosfery to bardzo dynamiczny proces, korekty są wprowadzane mniej więcej 1000x na sekundę. W opisanym powyżej problemie sytuacja nie zmienia się tak dynamicznie.

Chyba nie ma sensu tego korygować optyką, jeśli już to w postprocessingu.

Jeśli chodzi o problem przedstawiony w powyższym artykule, każdy obiekt posiadający masę znajdujący się na drodze lub w pobliżu drogi światła do teleskopu może wprowadzać zniekształcenia. Punktu odniesienia praktycznie brak i nie można go łatwo wygenerować tak jak to ma miejsce w przypadku atmosfery, która jest bardzo blisko.

W zasadzie nie wiadomo, jak skorygować te zniekształcenia - pewnie nawet mając wiedzę o wszystkich obiektach "po drodze" trudno byłoby z odpowiednią precyzją wprowadzić sensowne korekty.

Chyba żeby podejść do problemu na zasadzie: znajdźmy obiekt Y w bliskim otoczeniu X, którego oczekiwany wygląd dobrze znamy i możemy skonfrontować z otrzymanym obrazem i w ten sposób spróbować wyliczyć korekty dla obiektu X. Ewentualnie wyliczyć korekty na podstawie większej liczby obiektów "znanego typu/znanej struktury" w otoczeniu X. Nie wiem czy takie podejście ma jakikolwiek sens.

To tylko takie bardzo luźne przemyślenia.

kamil_c · 21 Listopada 2015

Skoro wpływ atmosfery korygujemy optyką adaptatywną, to czy nie można zrobić tego samego w przypadku tych "kwantowych zniekształceń"?

Optyka adaptatywna to technologia korekcji obrazu zaburzonego wyłącznie drganiami atmosfery - za pomocą lasera "tworzy się" na niebie tzw. sztuczną gwiazdę, porównuje jej zaburzony obraz ze wzorcem w pamięci komputera i odpowiednio wygina się lustro, aby oba obrazy się zgadzały. Ze względu na odległość do galaktyk, uzyskanie takiego zaburzonego pianą kwantową obrazy sztucznej gwiazdy jest niemożliwe.

Matheo_89 · 21 Listopada 2015

Właściwie pierwsze pytanie jakie się nasuwa to: jaka jest zależność odległości do danej galaktyki i wielkości teleskopu, po przekroczeniu której już nie wzrośnie rozdzielczość.

A także: czy w ogóle dożyjemy teleskopów, które osiągną te limity dla galaktyk z HUDF?

Edytowane 21 Listopada 2015 przez Alice

dziki_rysio_997 · 21 Listopada 2015

Przeczytałem uważniej temat i wygląda na to, że takie podejście też nie ma sensu:

W zasadzie nie wiadomo, jak skorygować te zniekształcenia - pewnie nawet mając wiedzę o wszystkich obiektach "po drodze" trudno byłoby z odpowiednią precyzją wprowadzić sensowne korekty.
Chyba żeby podejść do problemu na zasadzie: znajdźmy obiekt Y w bliskim otoczeniu X, którego oczekiwany wygląd dobrze znamy i możemy skonfrontować z otrzymanym obrazem i w ten sposób spróbować wyliczyć korekty dla obiektu X. Ewentualnie wyliczyć korekty na podstawie większej liczby obiektów "znanego typu/znanej struktury" w otoczeniu X. Nie wiem czy takie podejście ma jakikolwiek sens.

Tzn. może mogłoby mieć w przypadku wyraźnych zniekształceń wprowadzanych przez duże obiekty, ale w przypadku śladowych ilości materii, o praktycznie losowym rozkładzie chyba nic nie da się zrobić - właściwie jakby ktoś po prostu zblurował obraz.

Apex · 22 Listopada 2015

Dzięki za wyjaśnienie. Temat rzeczywiście może być nie do przeskoczenia.

JaLe · 22 Listopada 2015

Spokojnie, ludzie pokonają i ten problem (związany z rozdzielczością) przy pomocy komputerów kwantowych

Piotrek Guzik · 22 Listopada 2015

Spokojnie, ludzie pokonają i ten problem (związany z rozdzielczością) przy pomocy komputerów kwantowych

A w jaki sposób, JaLe? Bo jeśli zjawiska te są niedeterministyczne (a zjawiska kwantowe z natury są niedeterministyczne), to komputer kwantowy w niczym tu nie pomoże niestety...

LibMar · 22 Listopada 2015

A jak wyniesiemy dwa teleskopy, które będą naświetlały ten sam obiekt (lecz znajdują się po przeciwnych stronach Ziemi), to można przyjąć, że fotony przebyły nieco odmienne drogi. Dwa obrazy muszą się nieco różnić między sobą w szczegółach. Może istnieje jakiś sposób, aby z "obu dróg" zrobić selekcję polegającą na wycinaniu/usuwaniu niepasujących do siebie elementów, a pozostawić tylko te, których źródło pochodzi z tego samego obszaru? Chodzi mi o to, że jak fotografujemy np. odległą gwiazdę, to obraz będzie sumą rzeczywistego obrazu i "śmieciowych fotonów", które akurat znalazły się na tej samej drodze. Sygnał na obu fotkach będzie taki sam, natomiast śmieciowe fotony będą się różniły. Może kiedyś będziemy w stanie dokonać takiej selekcji i poprawimy obraz działając przeciwko temu problemowi.

Piotrek Guzik · 22 Listopada 2015

Chodzi mi o to, że jak fotografujemy np. odległą gwiazdę, to obraz będzie sumą rzeczywistego obrazu i "śmieciowych fotonów", które akurat znalazły się na tej samej drodze. Sygnał na obu fotkach będzie taki sam, natomiast śmieciowe fotony będą się różniły. Może kiedyś będziemy w stanie dokonać takiej selekcji i poprawimy obraz działając przeciwko temu problemowi.

No właśnie w tym problem, że nie będzie tak jak piszesz, bo tak naprawdę nie będzie żadnych "śmieciowych" fotonów. Wszystkie fotony będą tymi ze źródła, tyle że będą one "porozrzucane dookoła"...

Nowok76 · 22 Listopada 2015

"Jednak na ułamek sekundy te cząstki mają energię, a tym samym - zgodnie ze słynnym równaniem E = mc² - masę."

NIEPRAWDA !!

Energia to nie to samo co masa. Energię można zamienić w masę. Bardzo istotna różnica.

Polecam najnowszą książkę Ledermana "Dalej niż boska cząstka" :-)

ekolog · 22 Listopada 2015

Rzeczywiście cytowane zdanie jest jakby nadgorliwe. Tak czy siak wszystko cokolwiek istnieje (nawet na moment), nawet jeden kwant, zakrzywia przestrzeń - mieliśmy cały wątek o tym i tu był "finalizowany". Polecam post Behlura_Olderysa:

http://astropolis.pl/topic/51254-ile-wazylo-swiatlo-pedzace-obecnie-w-przestrzeni-kosmicznej/page-4?do=findComment&comment=597082

Tym bardziej zakrzywia jak ma masę jak te wirtualne cząstki co się pojawiają na chwilę. Tylko czy ten wpływ jest istotny, może się bilansuje ?

Pozdrawiam

Edytowane 23 Listopada 2015 przez ekolog

Piotrek Guzik · 23 Listopada 2015

Alice, Ekolog,

Zawsze warto sięgać do źródła. W tym wypadku jest ono tu: http://arxiv.org/pdf/1510.04996.pdf. Tekst ma jedną stronę - naprawdę warto zajrzeć. Są tam odpowiedzi na Wasze pytania:

Właściwie pierwsze pytanie jakie się nasuwa to: jaka jest zależność odległości do danej galaktyki i wielkości teleskopu, po przekroczeniu której już nie wzrośnie rozdzielczość.

No, ta zależność jest naprawdę skomplikowana - znajdziesz ją w linkowanym wyżej artykule.

A także: czy w ogóle dożyjemy teleskopów, które osiągną te limity dla galaktyk z HUDF?

Autorzy twierdzą, że efekt da się zauważyć już w danych z teleskopu Jamesa Webba, (który wkrótce powinien zastąpić teleskop Hubble'a) podczas obserwacji obiektów o z=6. W takim przypadku obraz dyfrakcyjny powinien być rozmyty o dodatkowe 8%.

Niektóre z galaktyk z HUDF miały z rzędu 10 z tego co pamiętam i tam efekt ten powinien być większy.

Tym bardziej zakrzywia jak ma masę jak te wirtualne cząstki co się pojawiają na chwilę. Tylko czy ten wpływ jest istotny, może się bilansuje ?

Autorom artykułu wychodzi własnie, że się "nie bilansuje".

Optyka adaptatywna to technologia korekcji obrazu zaburzonego wyłącznie drganiami atmosfery - za pomocą lasera "tworzy się" na niebie tzw. sztuczną gwiazdę, porównuje jej zaburzony obraz ze wzorcem w pamięci komputera i odpowiednio wygina się lustro, aby oba obrazy się zgadzały. Ze względu na odległość do galaktyk, uzyskanie takiego zaburzonego pianą kwantową obrazy sztucznej gwiazdy jest niemożliwe.

W optyce adaptatywnej można też wykorzystywać jasną "normalną" gwiazdę zamiast sztucznej (o ile takowa znajduje się odpowiednio blisko fotografowanego obiektu.

W przypadku obserwacji bardzo odległych obiektów, nie będziemy mieć "referencyjnych" punktówych obiektów.

Co więcej, w przypadku turbulencji mamy do czynienia z pewnymi "strukturami" o skończonym czasie istnienia. Najpierw obserwujemy zatem jak wygląda to zaburzenie, a później niwelujemy jego wpływ na dawany obraz. W przypadku "piany kwantowej" w ogóle tego nie będzie. Tak więc nawet jeśli daleko daleko byłoby jakieś punktowe źródło światła, to i tak obserwacja tego, jak jego obraz został zaburzony przez "pianę kwantową" nie pozwoliłaby nam na poprawienie obrazu innego obiektu.

Trzeba w końcu pamiętać, że ta teoria jest jak na razie tylko "luźnym pomysłem", który niekoniecznie musi być prawidłowy. W końcu na razie nie mamy jeszcze teorii kwantowej grawitacji... Jeśli jednak pojawią obserwacje efektu opisywanego w tym artykule, to z pewnością będą one sporym przełomiem w naszym rozumieniu świata.

Behlur_Olderys · 24 Listopada 2015

Chciałbym zwrócić uwagę na pewne zagadnienie związane z tą kwantową pianą, mianowicie:

https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_catastrophe

Po polsku:

Z obserwacji astrofizycznych przewiduje się gęstość energetyczną próżni na poziomie mikrodżuli na metr sześcienny (10^-9).

Tymczasem przewidywania kwantowej teorii pola, która stoi właśnie za tą "kwantową pianą" która oddziaływaniem grawitacyjnym ma zakłócać tor lotu fotonów,

daje wartości ponad STO rzędów wielkości większe (10^113). Jest to największa dysproporcja przewidywań do obserwacji, jaka pojawiła się w fizyce.

Dlatego podchodziłbym - co najmniej - z ostrożnością do tego typu przewidywań.

Pozdrawiam!

JaLe · 24 Listopada 2015

A w jaki sposób, JaLe? Bo jeśli zjawiska te są niedeterministyczne (a zjawiska kwantowe z natury są niedeterministyczne), to komputer kwantowy w niczym tu nie pomoże niestety...

Rach, ciach -zamek kwantowy To czy deterministyczne czy nie nie ma znaczenia. Komputer kwantowy znajdzie rozwiązanie.

szuu · 24 Listopada 2015

Piotrek Guzik · 24 Listopada 2015

Jale,

Rach, ciach -zamek kwantowy To czy deterministyczne czy nie nie ma znaczenia. Komputer kwantowy znajdzie rozwiązanie.

Być może kiedyś znajdziemy rozwiązanie tego problemu (o ile w ogóle ten problem istnieje, jak słusznie zauważył Behlur_Olderys). Tyle, że niespecjalnie widzę tu rolę akurat komputera kwantowego. Komputer kwantowy to nie jest "idea" pozwalająca na rozwiązanie problemów, które wydają się fundamentalnie nierozwiązane. Ideą komputera kwantowego jest znacznie efektywniejsze (czyt. szybsze) rozwiązywanie zadań obliczeniowych.

Tu (jeśli w ogóle problem istnieje), problemem nie jest złożoność obliczeniowa algorytmu, który mógłby pomóc odzyskać obraz bez zniekształceń, ale sama niepewność co do tego, co do nas przychodzi. Rozwiązaniem mogłaby tu być nowa metoda radzenia sobie z problemem, a metod nie znajduje komputer, tylko człowiek. No, chyba że masz na myśli hipotetyczną (przynajmniej jak na razie) ASI (Artificial SuperInteligence), tyle że to nie ma bezpośredniego związku z ideą komputera kwantowego.

JaLe · 25 Listopada 2015

Jale,

Być może kiedyś znajdziemy rozwiązanie tego problemu (o ile w ogóle ten problem istnieje, jak słusznie zauważył Behlur_Olderys). Tyle, że niespecjalnie widzę tu rolę akurat komputera kwantowego. Komputer kwantowy to nie jest "idea" pozwalająca na rozwiązanie problemów, które wydają się fundamentalnie nierozwiązane. Ideą komputera kwantowego jest znacznie efektywniejsze (czyt. szybsze) rozwiązywanie zadań obliczeniowych.

Tu (jeśli w ogóle problem istnieje), problemem nie jest złożoność obliczeniowa algorytmu, który mógłby pomóc odzyskać obraz bez zniekształceń, ale sama niepewność co do tego, co do nas przychodzi. Rozwiązaniem mogłaby tu być nowa metoda radzenia sobie z problemem, a metod nie znajduje komputer, tylko człowiek. No, chyba że masz na myśli hipotetyczną (przynajmniej jak na razie) ASI (Artificial SuperInteligence), tyle że to nie ma bezpośredniego związku z ideą komputera kwantowego.

A echo odpowiadało, zamek kwantowy, zamek kwantowy - wiesz li człowieku na czym polega jego idea ? I dlaczego komputer kwantowy oparty na tego rodzaju rozwiazaniach "liczy" szybciej ?

szuu · 25 Listopada 2015

stanowisko kompromisowe:

zwykły komputer obliczy że nie da się rozwiązać tego problemu
komputer kwantowy w mgnieniu oka obliczy że nie da się rozwiązać tego problemu

ryszardo · 25 Listopada 2015

Chciałbym zwrócić uwagę na pewne zagadnienie związane z tą kwantową pianą, mianowicie:

https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_catastrophe

Po polsku:

Z obserwacji astrofizycznych przewiduje się gęstość energetyczną próżni na poziomie mikrodżuli na metr sześcienny (10^-9).

Tymczasem przewidywania kwantowej teorii pola, która stoi właśnie za tą "kwantową pianą" która oddziaływaniem grawitacyjnym ma zakłócać tor lotu fotonów,

daje wartości ponad STO rzędów wielkości większe (10^113). Jest to największa dysproporcja przewidywań do obserwacji, jaka pojawiła się w fizyce.

Dlatego podchodziłbym - co najmniej - z ostrożnością do tego typu przewidywań.

Pozdrawiam!

To jest, moim zdaniem, najważniejsze spostrzeżenie w tym wątku.

Piotrek Guzik · 25 Listopada 2015

A echo odpowiadało, zamek kwantowy, zamek kwantowy - wiesz li człowieku na czym polega jego idea ?

Nie wiem, albo znam tę ideę pod inną nazwą. Możesz mnie oświecić w tej kwestii.

Wiem natomiast, że proponowane komputery kwantowe służą do rozwiązywania tych samych problemów, co komputery klasyczne i wiem, na jakiej zasadzie odbywają się tam obliczenia oraz dlaczego (dla pewnej klasy problemów) komputer kwantowy radzi sobie z nimi nieporównywalnie szybciej niż komputer klasyczny. A problemu tego rozmycia o którym mowa jest w wątku znanymi nam metodami rozwiązać się nie da.