Разработана методика обнаружения экзопланет, скрытых в ярком свете своих звёзд

Новая методика позволила проникнуть сквозь яркий свет звезды и обнаружить гигантскую экзопланету, «затерянную» в данных JWST.

Об этом сообщают в Северо-Западном университете (Иллинойс, США), передают OstanniPodii.com.

Хотя космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) способен заглянуть на миллиарды лет в прошлое, ему по-прежнему трудно сфотографировать планеты, вращающиеся вокруг соседних звезд. Звезды светят с такой необычайной яркостью, что пересвечивают тусклое свечение своих планет.

Теперь команда астрофизиков под руководством Северо-Западного университета разработала новую вычислительную технику, которая пробивается сквозь это сияние — выявляя планеты, ранее скрытые от взгляда.

Сочетая физическое моделирование с методами, обычно используемыми в машинном обучении, новый метод учитывает мельчайшие несовершенства телескопа, мешающие ему обнаруживать тусклые объекты. Когда команда применила свой метод к имеющимся наблюдениям JWST, чувствительность телескопа повысилась целых 15 раз. После того как новый метод устранил блики, на изображении, где обычная обработка просто не могла её увидеть, появилась гигантская экзопланета.

Этот прорыв может позволить астрономам открывать более мелкие, более холодные и более тусклые планеты без необходимости модификации самих телескопов.

Результаты исследования были опубликованы 4 ноября в журнале «Nature».

«Планеты в миллион раз тусклее своих звёзд», — отметил Родриго Феррер-Чавес из Северо-Западного университета, возглавлявший исследование. «Следовательно, чтобы получить изображение экзопланет, нам нужно устранить эти блики. Это очень сложная проблема, поскольку даже самые незначительные изменения в телескопе могут повлиять на то, как проявляются эти блики. Незначительные смещения или наклоны — даже в масштабе всего нескольких нанометров — могут изменить характер распространения света. Наш метод моделирует то, как свет проходит через телескоп, и учитывает эти крошечные изменения, что позволяет нам устранять блики гораздо точнее».

Феррер-Чавес — аспирант по астрономии в Колледже искусств и наук имени Вайнберга Северо-Западного университета, где он является членом исследовательской группы Джейсона Ванга. Ванг — доцент кафедры физики и астрономии Колледжа Вайнберга и соавтор исследования. Ванг и Феррер-Чавес являются членами Центра междисциплинарных исследований и анализа в астрофизике (CIERA).

Скрытые в море звездного света

Фотографирование планеты за пределами нашей Солнечной системы несколько напоминает попытку разглядеть светлячка, летящего рядом с ярким прожектором. Даже относительно яркие молодые гигантские планеты могут быть в 100 000 раз тусклее своих материнских звезд.

Чтобы преодолеть эту проблему, телескопы, такие как JWST, используют специальные приборы, называемые коронографами, которые блокируют звездный свет для обнаружения тусклых объектов. Но одного лишь блокирования звезды недостаточно. Часть звездного света всё равно просачивается, создавая размытый паттерн, который может заслонять планеты. Поэтому астрономы используют методы обработки изображений, чтобы устранить остаточные блики.

«В течение последних 20 лет астрономы решали эту проблему, наблюдая за другой звездой и используя её изображение в качестве эталона», — рассказывает Ван. «Затем они вычитают это эталонное изображение из исходного наблюдения, чтобы устранить нежелательные блики и обнаружить тусклые планеты, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными».

Устранение колебаний из изображения

Проблема заключается в том, что ни один телескоп не может оставаться абсолютно неподвижным. Почти незаметные изменения в физической структуре телескопа изменяют узоры рассеянного света звёзд. В результате эталонное изображение никогда не совпадает идеально с фактическим наблюдением. Даже малейшее несовпадение может оставить после себя достаточно бликов, чтобы скрыть тусклую планету.

«Мы стараемся сделать телескопы чрезвычайно стабильными, но существуют чрезвычайно сложные инженерные задачи, которые мы еще до конца не решили», — отмечает Ван. «Существуют как известные, так и неизвестные причины нестабильности. Небольшие тепловые изменения могут вызвать расширение или сжатие зеркала на пикометр. Телескопы, такие как JWST, оснащены криоохладителями, поддерживающими прибор в чрезвычайно низкой температуре. Эти охладители имеют небольшие двигатели, которые могут вызывать вибрацию зеркал. Таким образом, существуют такие проблемы, а также проблемы, которые мы до сих пор не понимаем, поскольку только учимся строить эти сложные телескопы».

Вместо того чтобы полагаться исключительно на эталонные фотографии, команда выбрала другой подход. Их новый метод, получивший название «Физически ориентированное обучение для визуализации планет» (FLIP), создает «цифровой двойник» телескопа — виртуальную копию, которая моделирует, как свет звезд проходит через зеркала телескопа и достигает его детекторов.

Используя вычислительные методы, аналогичные тем, что применяются для обучения моделей искусственного интеллекта, команда точно настроила миллионы параметров в цифровом двойнике, чтобы учесть мельчайшие несовершенства телескопа, в частности незначительные смещения положения и искажения в его оптике. Вместо того чтобы использовать искусственный интеллект для обнаружения планет, исследователи объединили свои знания о физике телескопа с мощными инструментами оптимизации.

«Мы использовали те же вычислительные инструменты, что и исследователи для обучения моделей искусственного интеллекта, но фактически не применяли ИИ», — сказал Ван. «Поскольку мы уже знаем физику, нам не нужен ИИ, чтобы понять, что происходит».

Повторно корректируя цифровой двойник, пока он не стал точно соответствовать фактическим наблюдениям телескопа, FLIP воссоздал нежелательный звездный свет с чрезвычайной точностью. Затем исследователи вычли этот смоделированный блик из изображения.

Обнаружение ранее скрытой планеты

Чтобы проверить свой подход, исследователи провели повторный анализ прошлых наблюдений JWST. Они изучили наблюдения двух звёзд — HIP 65426 и 51 Эридана — с известными планетами, а также третьей звезды, TYC 5899, у которой нет известных планет-спутников.

Во всех случаях FLIP стабильно превосходил традиционные методы обработки изображений, повышая чувствительность обнаружения тусклых планет в 2–15 раз. Благодаря повышенной чувствительности команда обнаружила 51 Эридана b — ранее уже открытую гигантскую планету за пределами нашей Солнечной системы, скрытую в двухлетних данных JWST. Углекислый газ в атмосфере планеты поглощал свет в инфракрасном диапазоне, в котором работает JWST, что делало сигнал планеты ещё слабее.

Хотя астрономы ранее открыли 51 Эридана b с помощью наземных телескопов, традиционная обработка изображений не могла отличить её от остаточного блика на длине волны, которую JWST использует для исследования углекислого газа в атмосферах планет. Когда Феррер-Чавес применил FLIP к тем же наблюдениям, планета стала видимой.

«Мы продемонстрировали, что на самом деле можем обнаружить планету, которую раньше не удавалось увидеть», — сказал Ван. «Это реальные данные в реальной ситуации. Это была наука, которая оставалась неизученной, поскольку у нас не было соответствующих инструментов для анализа данных наиболее оптимальным образом».

То самое свойство, которое затрудняет обнаружение планеты, также может сделать её изучение более интересным. JWST может проводить чувствительные наблюдения на длине волны 4,3 микрона, где углекислый газ сильно поглощает инфракрасное излучение. Обнаружение особенностей на этой длине волны потенциально может дать астрономам новые подсказки относительно атмосферы и состава планеты.

От гигантских планет до миров, похожих на Землю

В настоящее время Феррер-Чавес и Ван надеются, что FLIP поможет астрономам обнаружить планеты, которые ранее оставались незамеченными в имеющихся наблюдениях. Благодаря более точному устранению света звёзд этот метод также может позволить учёным исследовать планеты на разных длинах волн, чтобы обнаружить новые подсказки относительно их атмосфер.

В перспективе FLIP может помочь сформировать следующее поколение телескопов для поиска планет. Предложенная НАСА обсерватория «Habitable Worlds Observatory» призвана непосредственно фотографировать планеты, похожие на Землю, вращающиеся вокруг удаленных звезд, подобных Солнцу. Чтобы обнаружить такие малые планеты, телескопу, возможно, придётся поддерживать оптическую стабильность в пикометровом масштабе. Это эквивалентно триллионной части метра или примерно в 100–1 000 раз большей стабильности, чем у JWST.

FLIP предлагает потенциально иной путь вперёд. Вместо того чтобы полагаться на инженерные решения для обеспечения идеальной стабильности телескопа, астрономы, возможно, смогут корректировать его незначительные несовершенства.

«Нам неизвестны планеты вокруг других звёзд, похожие на те, что есть в нашей Солнечной системе», — отметил Феррер-Чавес. «Это не означает, что их не существует. Просто мы не можем их увидеть. Каждый раз, когда мы совершенствуем наши методы, мы открываем новые типы планет. Обнаруживая всё больше планет, мы можем лучше понять, как формируются и эволюционируют планетные системы, и, в конечном итоге, насколько типичной на самом деле является наша собственная Солнечная система».

Исследование под названием «Получение изображений экзопланет ниже предела стабильности телескопа» было поддержано Институтом науки космического телескопа, Фондом Слоуна и Национальным научным фондом.