Astrofizycy z Northwestern University opracowali metodę komputerową, która skuteczniej usuwa blask gwiazd ze zdjęć Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Dzięki niej w dwuletnich danych udało się wyłowić gigantyczną planetę 51 Eridani b, której nie dało się odróżnić od zakłóceń przy standardowej obróbce. Praca ukazuje się 4 listopada w czasopiśmie „Nature”.
Dlaczego planety giną w blasku gwiazd
Fotografowanie planet pozasłonecznych przypomina próbę dostrzeżenia świetlika tuż obok potężnego reflektora. Nawet stosunkowo jasne, młode olbrzymy bywają około 100 tysięcy razy słabsze od swoich gwiazd. Według autorów badania w ogólnym przypadku planety są nawet milion razy mniej jasne niż gwiazdy, wokół których krążą.
JWST ma więc koronograf, czyli przyrząd zasłaniający światło gwiazdy. To jednak nie wystarcza, bo część światła się przedostaje i tworzy mglisty wzór, który może przykryć planetę. Przez około 20 lat astronomowie radzili sobie z tym tak, że obserwowali inną gwiazdę i odejmowali jej obraz jako wzorzec. Problem w tym, że żaden teleskop nie jest idealnie nieruchomy. Drobne zmiany temperatury, drgania wywołane pracą chłodziarek i inne, wciąż niezrozumiane czynniki sprawiają, że wzorzec nigdy nie pasuje dokładnie do właściwego zdjęcia.
Cyfrowy bliźniak zamiast zdjęcia referencyjnego
Zespół pod kierunkiem doktoranta Rodrigo Ferrera-Chaveza postawił na inne podejście. Metoda nazwana FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets) tworzy „cyfrowego bliźniaka” teleskopu, czyli wirtualną replikę symulującą drogę światła przez zwierciadła aż do detektorów. Następnie dopasowuje się miliony parametrów tego modelu, tak aby uwzględniał drobne przesunięcia i zniekształcenia optyki, rzędu zaledwie kilku nanometrów.
Wykorzystano do tego narzędzia obliczeniowe podobne do tych, którymi trenuje się modele sztucznej inteligencji, ale samej AI do wykrywania planet nie użyto. Jak podkreślił współautor, Jason Wang, fizykę teleskopu już znamy, więc nie trzeba jej „zgadywać”. Po dopasowaniu model odtwarza niechciany blask gwiazdy z dużą dokładnością i można go odjąć od obrazu.
Planeta wyłowiona ze starych danych
Metodę sprawdzono na archiwalnych obserwacjach JWST trzech gwiazd: HIP 65426 i 51 Eridani, przy których znane są planety, oraz TYC 5899, przy której nie znaleziono żadnych towarzyszy. FLIP dawał konsekwentnie lepsze wyniki niż standardowe techniki, zwiększając czułość od 2 do 15 razy.
Najciekawszy efekt dotyczył 51 Eridani b. Planetę odkryto wcześniej teleskopami naziemnymi, ale w danych JWST na długości fali używanej do badania dwutlenku węgla gubiła się wśród resztek blasku. Dwutlenek węgla w jej atmosferze pochłania właśnie to promieniowanie podczerwone, co dodatkowo osłabia sygnał. Po zastosowaniu FLIP planeta się pojawiła.
- Czułość: poprawa od 2 do 15 razy w porównaniu z konwencjonalną obróbką.
- Dane: archiwalne obserwacje JWST, bez nowych pomiarów.
- Zakres 4,3 mikrometra: tu dwutlenek węgla silnie pochłania podczerwień, więc obserwacje mogą mówić więcej o składzie atmosfery.
Wang powiedział: „Pokazaliśmy, że możemy odzyskać planetę, której wcześniej nie dało się zobaczyć”.
Co to oznacza w praktyce, także dla Polski
Najważniejsza zmiana jest taka, że lepsze wyniki daje oprogramowanie, a nie nowy sprzęt. Skoro w już zebranych danych mogą kryć się kolejne planety, warto je przeanalizować ponownie. Autorzy liczą, że metoda pozwoli wykrywać mniejsze, chłodniejsze i słabsze światy.
Praktycznych skutków dla codziennego życia nie ma, ale to wiadomość istotna dla europejskiej nauki. JWST jest wspólnym projektem NASA, Europejskiej Agencji Kosmicznej i kanadyjskiej agencji kosmicznej, a Polska należy do ESA, więc polscy badacze mogą korzystać z publicznie dostępnych danych tego typu. Czy konkretne zespoły w kraju sięgną po FLIP, na razie nie wiadomo.
Na dalszą metę autorzy wskazują na proponowane przez NASA Habitable Worlds Observatory, które ma bezpośrednio fotografować planety podobne do Ziemi przy gwiazdach podobnych do Słońca. Wymagałoby to stabilności optyki na poziomie pikometrów, czyli około 100 do 1000 razy większej niż w JWST. FLIP sugeruje, że zamiast dążyć do absolutnej stabilności, można część niedoskonałości skorygować obliczeniowo.
Źródło: Phys.org – „Giant planet emerges from two-year-old JWST data thanks to glare-removal technique”
