Планета два года оставалась незамеченной в архиве космического телескопа. Астрономам понадобился новый подход к обработке изображений, чтобы её заметить.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) сыграл ключевую роль в обнаружении гигантской экзопланеты, которая ранее оставалась незаметной на его изображениях. Она хранилась в архиве наблюдений на протяжении двух лет. Для решения этой космической загадки была использована новая технология обработки снимков, разработанная исследователями из Северо-Западного университета США. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Звезда ослепила телескоп: планета оказалась невидимой
В данном случае речь идет о юпитероподобной экзопланете 51 Eridani b, находящейся вблизи звезды 51 Eridani A. Саму планету астрономы открыли ещё в декабре 2014 года с помощью наземных телескопов. Однако получить её четкое изображение оказалось значительно сложнее.
Причина в ослепительной яркости звезды. Даже относительно яркие молодые газовые гиганты обычно в 100 тысяч раз тусклее своих светил. Планета фактически теряется в световом потоке звезды, как светлячок рядом с мощным прожектором.
Для решения этой проблемы телескопы применяют коронографы, которые блокируют прямой свет от звезды. Метод получил название KLIP (Karhunen-Loève Image Projection). Однако полностью избавиться от засветки не удается: рассеянный свет всё равно создает помехи на снимках. Даже малейшие изменения в положении зеркал и оптических элементов телескопа могут изменить характер этих помех.
FLIP: виртуальная копия телескопа вместо ИИ
Новый метод назван FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets). Его разработала команда астрофизиков под руководством Родриго Феррера-Чавеса из Северо-Западного университета.
В основе технологии лежит создание цифрового двойника телескопа. Это виртуальная модель, которая воспроизводит путь света через зеркала и оптические элементы JWST до детекторов. Исследователи настроили миллионы параметров модели, чтобы учесть мельчайшие недостатки оптики, смещения и искажения.
После этого система рассчитывает, как должна выглядеть звездная засветка на изображении. Ученые вычитают смоделированные помехи из реального снимка и получают возможность увидеть объекты, которые ранее скрывались за световым фоном.
Несмотря на использование вычислительных инструментов, аналогичных тем, что применяются при обучении нейросетей, искусственный интеллект в привычном понимании здесь не используется. Исследователи основывались на физических характеристиках телескопа, а не поручали алгоритму самостоятельно идентифицировать планеты.
Метод FLIP был протестирован на архивных наблюдениях трёх звезд: HIP 65426, 51 Eridani и TYC 5899. В результате удалось увеличить чувствительность обнаружения слабых объектов в 2–15 раз. Это и позволило получить уверенный сигнал от 51 Eridani b, который превышает уровень статистической значимости в пять сигма.
Интересно, что углекислый газ в атмосфере планеты поглощает инфракрасное излучение на длине волны 4,3 микрометра. Из-за этого сигнал планеты становился ещё слабее. Однако именно наблюдения в этом диапазоне особенно важны для ученых, так как помогают изучать состав атмосфер удаленных миров.
Следующая цель — планеты, похожие на Землю
Данная технология может быть полезной не только для поиска крупных газовых гигантов. В будущем она позволит находить более мелкие, холодные и тусклые планеты, при этом без необходимости модернизации самого телескопа.
Это особенно актуально для будущей обсерватории NASA Habitable Worlds Observatory. Её основная задача — непосредственно фотографировать планеты земного типа вокруг других звезд, включая те, что похожи на Солнце.
Для таких наблюдений требуется невероятная стабильность оптики: на уровне пикометров, то есть триллионных долей метра. Это в 100–1000 раз строже требований к стабильности JWST. Метод FLIP предлагает альтернативный подход: вместо абсолютной неподвижности телескопа можно математически компенсировать его микроскопические недостатки.
Таким образом, астрономы могут получить доступ к огромным объемам уже собранных данных, в которых еще предстоит выявить неизвестные планеты. Порой для новых открытий не требуется новый телескоп — достаточно научиться правильно интерпретировать старые изображения.
Отсутствие обнаруженных аналогов планет Солнечной системы у других звезд не означает, что таких миров нет. Возможно, ученые пока просто не умеют их видеть.
Фото: hi-tech.mail.ru