Космический телескоп James Webb получил новый метод обработки изображений, который помогает отделять слабый свет экзопланет от яркого сияния их звёзд. Система FLIP моделирует работу телескопа с учётом мельчайших смещений и искажений, а испытание на данных JWST позволило обнаружить планету 51 Eridani b, ранее скрытую в шуме наблюдений.
Почему планеты трудно увидеть
Прямое наблюдение экзопланет осложняется тем, что они обычно находятся рядом со своими звёздами, которые во много раз ярче. JWST использует коронографы в камере ближнего инфракрасного диапазона NIRCam и приборе среднего инфракрасного диапазона MIRI: специальные маски блокируют часть света звезды и делают планету заметнее.
Однако возможности коронографов ограничены стабильностью телескопа. Даже небольшие тепловые изменения, вибрации от охладителей или смещения зеркал меняют картину рассеянного звёздного света. По словам соавтора работы Джейсона Вана, зеркало может расширяться или сжиматься на пикометры, а движения механизмов создавать вибрации.
Обычно астрономы наблюдают другую звезду и используют её изображение как эталон. Затем эталонное изображение вычитают из исходного, чтобы убрать сияние. Но при переключении между эталонной звездой и целью состояние телескопа немного меняется, поэтому метод не всегда позволяет увидеть самые тусклые объекты.
Модель работы телескопа
FLIP расшифровывается как Physics-based Learning for Imaging Planets — «обучение на основе физики для получения изображений планет». Метод сочетает физическую модель распространения света, данные о волновом фронте и элементы машинного обучения. Он учитывает точечную функцию рассеяния — то, как оптическая система искажает изображение источника света.
Исследователи фактически создали «цифрового двойника» JWST: модель воспроизводит прохождение света через телескоп, включая небольшие сдвиги, наклоны и другие несовершенства. Её многократно настраивали так, чтобы она соответствовала реальным наблюдениям, после чего из изображения вычитали рассчитанный свет звезды.
Планета проявилась в данных JWST
Метод проверили на 51 Eridani b — экзопланете, открытой наземными телескопами. При длине волны 4,3 мкм, важной для поиска углекислого газа в атмосферах экзопланет, стандартная обработка данных JWST не позволяла её обнаружить. После применения FLIP планета стала видна с уровнем значимости более пяти сигм.
Авторы сообщают, что чувствительность метода оказалась в 2–15 раз выше, чем у стандартных подходов. По словам ведущего автора Родриго Феррер-Чавеса, система позволила обнаружить планету в реальных данных, которую прежде не удавалось увидеть.
Исследователи считают, что подобный подход может пригодиться не только для JWST, но и для будущих обсерваторий, включая Habitable Worlds Observatory. Если FLIP удастся адаптировать к требованиям такой миссии, часть ограничений на сверхстабильность телескопа можно будет компенсировать обработкой изображений.
