Australiska forskare har utvecklat en ny typ av sensor för att mäta och korrigera förvrängningen av stjärnljus som orsakas av att titta genom jordens atmosfär, vilket borde göra det lättare att studera möjligheten till liv på avlägsna planeter.

Genom att använda artificiell intelligens och maskininlärning, Optiska forskare från University of Sydney har utvecklat en sensor som kan neutralisera en stjärnas "glimt" orsakad av värmevariationer i jordens atmosfär. Detta kommer att göra upptäckten och studien av planeter i avlägsna solsystem lättare från optiska teleskop på jorden.

"Det huvudsakliga sättet att identifiera planeter som kretsar kring avlägsna stjärnor är genom att mäta regelbundna fall i stjärnljus orsakade av planeter som blockerar bitar av sin sol, " sa huvudförfattaren Dr Barnaby Norris, som innehar en gemensam position som forskare vid University of Sydney Astrophotonic Instrumentation Laboratory och i University of Sydney node of Australian Astronomical Optics i School of Physics.

"Det här är verkligen svårt från marken, så vi behövde utveckla ett nytt sätt att se upp mot stjärnorna. Vi ville också hitta ett sätt att direkt observera dessa planeter från jorden, " han sa.

Teamets uppfinning kommer nu att användas i ett av de största optiska teleskopen i världen, det 8,2 meter långa Subaru-teleskopet på Hawaii, drivs av National Astronomical Observatory of Japan.

"Det är verkligen svårt att skilja en stjärnas "glimt" från ljussänkningarna som orsakas av planeter när man observerar från jorden, Dr Norris sa. "De flesta observationer av exoplaneter har kommit från kretsande teleskop, som NASA:s Kepler. Med vår uppfinning, vi hoppas kunna starta en renässans inom exoplanetobservation från marken."

Forskningen publiceras idag i Naturkommunikation .

Nya metoder

Att använda den nya "fotoniska vågfrontssensorn" kommer att hjälpa astronomer att direkt avbilda exoplaneter runt avlägsna stjärnor från jorden.

Under de senaste två decennierna, tusentals planeter bortom vårt solsystem har upptäckts, men bara en liten handfull har avbildats direkt från jorden. Detta begränsar allvarligt den vetenskapliga utforskningen av dessa exoplaneter.

Att göra en bild av planeten ger mycket mer information än indirekta detekteringsmetoder, som att mäta stjärnljusfall. Jordliknande planeter kan verka en miljard gånger svagare än deras värdstjärna. Och att observera planeten skild från sin stjärna är som att titta på ett 10-centsmynt som hålls i Sydney, sett från Melbourne.

För att lösa det här problemet, det vetenskapliga teamet vid Fysikskolan utvecklade en "fotonisk vågfrontssensor", ett nytt sätt att tillåta att den exakta förvrängningen som orsakas av atmosfären kan mätas, så det kan sedan korrigeras av teleskopets adaptiva optiksystem tusentals gånger i sekunden.

"Denna nya sensor kombinerar avancerade fotoniska enheter med tekniker för djupinlärning och neurala nätverk för att uppnå en aldrig tidigare skådad typ av vågfrontssensor för stora teleskop, sa doktor Norris.

"Till skillnad från konventionella vågfrontssensorer, den kan placeras på samma plats i det optiska instrumentet där bilden bildas. Detta betyder att den är känslig för typer av distorsion som är osynlig för andra vågfrontssensorer som för närvarande används i stora observatorier, " han sa.

Professor Olivier Guyon från Subaru Telescope och University of Arizona är en av världens ledande experter inom adaptiv optik. Han sa:"Detta är utan tvekan ett mycket innovativt tillvägagångssätt och mycket annorlunda än alla befintliga metoder. Det skulle potentiellt kunna lösa flera stora begränsningar av den nuvarande tekniken. Vi arbetar för närvarande i samarbete med University of Sydneys team för att testa detta koncept på Subaru i samband med SCExAO, som är ett av de mest avancerade adaptiva optiksystemen i världen."

Application Beyond Astronomy

Forskarna har uppnått detta anmärkningsvärda resultat genom att bygga vidare på en ny metod för att mäta (och korrigera) vågfronten av ljus som passerar genom atmosfärisk turbulens direkt vid ett bildinstruments fokalplan. Detta görs med hjälp av en avancerad ljusomvandlare, känd som en fotonisk lykta, kopplat till en slutledningsprocess för neurala nätverk.

"Detta är ett radikalt annorlunda tillvägagångssätt till befintliga metoder och löser flera stora begränsningar av nuvarande tillvägagångssätt, " sa medförfattaren Jin (Fiona) Wei, en doktorand vid Sydney Astrophotonic Instrumentation Laboratory.

Direktören för Sydney Astrophotonic Instrumentation Laboratory vid School of Physics vid University of Sydney, Docent Sergio Leon-Saval, sa:"Medan vi har kommit till detta problem för att lösa ett problem inom astronomi, den föreslagna tekniken är extremt relevant för ett brett spektrum av områden. Det kan användas i optisk kommunikation, fjärranalys, in vivo-avbildning och alla andra fält som involverar mottagning eller överföring av exakta vågfronter genom ett turbulent eller grumligt medium, som vatten, blod eller luft."