Астрофизики под руководством исследователей Северо-Западного университета разработали метод, который позволяет точнее удалять блеск звёзд на снимках космического телескопа James Webb. Применив его к данным JWST, полученным около двух лет назад, учёные смогли увидеть гигантскую экзопланету 51 Eridani b, ранее скрытую в остаточном свете звезды. Исследование опубликовано 4 ноября в журнале Nature.
Как планеты теряются в свете звёзд
Даже сравнительно яркие молодые гигантские планеты могут быть в 100 тысяч раз тусклее своих звёзд. Для наблюдений JWST использует коронографы, блокирующие большую часть звёздного света, однако небольшая его доля всё равно достигает детектора и создаёт рассеянный световой фон.
Обычно астрономы сравнивают снимок целевой звезды с изображением другой звезды и вычитают его, чтобы убрать блики. Но телескоп не может оставаться абсолютно неподвижным: тепловые изменения, вибрации и микроскопические смещения элементов меняют рисунок рассеянного света. Поэтому эталонное изображение не совпадает с реальным идеально, а оставшийся фон может скрыть планету.
«Цифровой двойник» телескопа
Новый метод получил название Physics-based Learning for Imaging Planets, или FLIP. Он создаёт виртуальную модель телескопа, которая рассчитывает, как свет проходит через его зеркала и оптические элементы, а затем попадает на детекторы. Исследователи настраивают миллионы параметров этой модели, учитывая небольшие смещения и искажения оптики, пока смоделированный фон не начинает соответствовать реальному наблюдению.
Для оптимизации применяются вычислительные инструменты, похожие на используемые при обучении моделей искусственного интеллекта, однако сам метод, по словам соавтора работы Джейсона Вана, не использует ИИ для поиска планет: в основе FLIP лежит физическая модель телескопа. После этого рассчитанный звёздный фон вычитается из исходного изображения.
Планета, скрытая в двухлетних данных
Команда проверила FLIP на наблюдениях трёх звёзд: HIP 65426 и 51 Eridani, у которых уже известны планеты, а также TYC 5899, для которой планетарных спутников пока не обнаружено. В разных наборах данных метод повысил чувствительность к слабым планетам в 2–15 раз по сравнению с обычной обработкой.
Особенно заметным результатом стало обнаружение 51 Eridani b в архивных данных JWST. Планету ранее нашли с помощью наземных телескопов, но на длине волны, используемой для изучения углекислого газа в атмосферах, её сигнал терялся в остаточном свете звезды. Углекислый газ поглощает инфракрасное излучение на длине волны 4,3 микрометра, делая планету ещё менее заметной. После обработки FLIP 51 Eridani b удалось выделить на снимке.
Исследователи рассчитывают применять метод к уже существующим наблюдениям и искать в них другие скрытые планеты. В будущем FLIP может пригодиться и при проектировании телескопов для прямой съёмки небольших миров, включая предложенную NASA обсерваторию Habitable Worlds Observatory. Вместо требования к абсолютной стабильности оптики такой подход позволит частично компенсировать её микроскопические несовершенства вычислительными методами.
