Розроблено методику виявлення екзопланет, прихованих в яскравому світлі своїх зірок

Нова методика дозволила проникнути крізь яскраве світло зорі та виявити гігантську екзопланету, «загублену» в даних JWST.

Про це повідомляють у Північно-Західному університеті (Іллінойс, США), передають OstanniPodii.com.

Хоча космічний телескоп імені Джеймса Вебба (JWST) здатний зазирнути на мільярди років у минуле, йому все ще важко сфотографувати планети, що обертаються навколо сусідніх зірок. Зорі світять з такою надзвичайною яскравістю, що пересвічують тьмяне світіння своїх планет.

Тепер команда астрофізиків під керівництвом Північно-Західного університету розробила нову обчислювальну техніку, яка пробивається крізь це сяйво — розкриваючи планети, раніше приховані від погляду.

Поєднуючи фізичне моделювання з методами, що зазвичай використовуються в машинному навчанні, новий метод враховує найдрібніші недосконалості телескопа, які заважають йому виявляти тьмяні об’єкти. Коли команда застосувала свій метод до наявних спостережень JWST, чутливість телескопа підвищилася аж у 15 разів. Після того як новий метод усунув відблиски, на зображенні, де звичайна обробка просто не могла її побачити, з’явилася гігантська екзопланета.

Цей прорив може дозволити астрономам відкривати менші, холодніші та тьмяніші планети без необхідності модифікації самих телескопів.

Результати дослідження були опубліковані 4 листопада в журналі «Nature».

«Планети в мільйон разів тьмяніші за свої зорі», — зазначив Родріго Феррер-Чавес із Північно-Західного університету, який очолював дослідження. «Отже, щоб отримати зображення екзопланет, нам потрібно усунути ці відблиски. Це дуже складна проблема, оскільки навіть найдрібніші зміни в телескопі можуть вплинути на те, як ці відблиски проявляються. Незначні зміщення або нахили — навіть у масштабі всього декількох нанометрів — можуть змінити характер поширення світла. Наш метод моделює те, як світло проходить через телескоп, і враховує ці крихітні зміни, що дозволяє нам усунути відблиски набагато точніше».

Феррер-Чавес — аспірант з астрономії у Коледжі мистецтв і наук імені Вайнберга Північно-Західного університету, де він є членом дослідницької групи Джейсона Ванга. Ванг — доцент кафедри фізики та астрономії Коледжу Вайнберга та співавтор дослідження. Ванг і Феррер-Чавес є членами Центру міждисциплінарних досліджень та аналізу в астрофізиці (CIERA).

Приховані в морі зоряного світла

Фотографування планети за межами нашої Сонячної системи дещо нагадує спробу розгледіти світлячка, що літає поруч з яскравим прожектором. Навіть відносно яскраві молоді гігантські планети можуть бути в 100 000 разів тьмянішими за свої материнські зорі.

Щоб подолати цю проблему, телескопи, такі як JWST, використовують спеціальні прилади, які називаються коронографами, що блокують зоряне світло для виявлення тьмяних об’єктів. Але одного лише блокування зорі недостатньо. Частина зоряного світла все одно просочується, створюючи розмитий патерн, який може затуляти планети. Тому астрономи використовують методи обробки зображень, щоб усунути залишкове відблискування.

«Протягом останніх 20 років астрономи розв’язували цю проблему, спостерігаючи за іншою зорею та використовуючи її зображення як еталон», — розповідає Ван. «Потім вони віднімають це еталонне зображення від оригінального спостереження, щоб усунути небажані відблиски та виявити тьмяні планети, які інакше могли б залишитися прихованими».

Усунення коливань із зображення

Проблема полягає в тому, що жоден телескоп не може залишатися абсолютно нерухомим. Майже непомітні зміни у фізичній структурі телескопа змінюють патерни розсіяного світла зірок. Як наслідок, еталонне зображення ніколи не збігається ідеально з фактичним спостереженням. Навіть найменший збіг може залишити після себе достатньо відблисків, щоб приховати тьмяну планету.

«Ми намагаємося зробити телескопи надзвичайно стабільними, але існують надзвичайно складні інженерні виклики, які ми ще до кінця не вирішили», — зазначає Ван. «Існують як відомі, так і невідомі причини нестабільності. Невеликі теплові зміни можуть спричинити розширення або стискання дзеркала на пікометр. Телескопи, такі як JWST, оснащені кріоохолоджувачами, що підтримують прилад у надзвичайно низькій температурі. Ці охолоджувачі мають невеликі двигуни, які можуть викликати вібрацію дзеркал. Отже, існують такі проблеми, а також проблеми, які ми досі не розуміємо, оскільки лише вчимося будувати ці складні телескопи».

Замість того щоб покладатися виключно на еталонні фотографії, команда обрала інший підхід. Їхній новий метод, який отримав назву «Фізично-орієнтоване навчання для візуалізації планет» (FLIP), створює «цифровий двійник» телескопа — віртуальну копію, яка моделює, як світло зірок проходить через дзеркала телескопа та досягає його детекторів.

Використовуючи обчислювальні методи, подібні до тих, що застосовуються для навчання моделей штучного інтелекту, команда точно налаштувала мільйони параметрів у цифровому двійнику, щоб врахувати найдрібніші недосконалості телескопа, зокрема незначні зміщення положення та спотворення в його оптиці. Замість того щоб використовувати штучний інтелект для виявлення планет, дослідники поєднали свої знання про фізику телескопа з потужними інструментами оптимізації.

«Ми використовували ті самі обчислювальні інструменти, що й дослідники для навчання моделей штучного інтелекту, але фактично не застосовували ШІ», — сказав Ван. «Оскільки ми вже знаємо фізику, нам не потрібен ШІ, щоб зрозуміти, що відбувається».

Повторно коригуючи цифровий двійник, доки він не став точно відповідати фактичним спостереженням телескопа, FLIP відтворив небажане зоряне світло з надзвичайною точністю. Потім дослідники відняли цей змодельований відблиск від зображення.

Виявлення раніше прихованої планети

Щоб перевірити свій підхід, дослідники провели повторний аналіз минулих спостережень JWST. Вони вивчили спостереження двох зірок — HIP 65426 та 51 Ерідані — з відомими планетами, а також третьої зорі, TYC 5899, яка не має відомих планет-компаньйонів.

У всіх випадках FLIP стабільно перевершував традиційні методи обробки зображень, підвищуючи чутливість виявлення тьмяних планет у 2–15 разів. Завдяки підвищеній чутливості команда виявила 51 Ерідані b — раніше вже відкриту гігантську планету за межами нашої Сонячної системи, приховану у дворічних даних JWST. Вуглекислий газ в атмосфері планети поглинав світло в інфрачервоному діапазоні, який спостерігає JWST, що робило сигнал планети ще слабкішим.

Хоча астрономи раніше відкрили 51 Ерідані b за допомогою наземних телескопів, традиційна обробка зображень не могла відрізнити її від залишкового відблиску на довжині хвилі, яку JWST використовує для дослідження вуглекислого газу в атмосферах планет. Коли Феррер-Чавес застосував FLIP до тих самих спостережень, планета стала видимою.

«Ми продемонстрували, що насправді можемо виявити планету, яку раніше не вдавалося побачити», — сказав Ван. «Це реальні дані в реальній ситуації. Це була наука, яка залишилася невивченою, оскільки ми не мали відповідних інструментів для аналізу даних найоптимальнішим чином».

Та сама властивість, яка ускладнює виявлення планети, також може зробити її вивчення цікавішим. JWST може проводити чутливі спостереження на довжині хвилі 4,3 мікрона, де вуглекислий газ сильно поглинає інфрачервоне випромінювання. Виявлення особливостей на цій довжині хвилі потенційно може дати астрономам нові підказки щодо атмосфери та складу планети.

Від гігантських планет до світів, схожих на Землю

Наразі Феррер-Чавес і Ван сподіваються, що FLIP допоможе астрономам виявити планети, які раніше залишалися непомітними в наявних спостереженнях. Завдяки більш точному усуненню світла зірок цей метод також може дозволити вченим досліджувати планети на різних довжинах хвиль, щоб виявити нові підказки щодо їхніх атмосфер.

У перспективі FLIP може допомогти сформувати наступне покоління телескопів для пошуку планет. Запропонована НАСА обсерваторія «Habitable Worlds Observatory» має на меті безпосередньо фотографувати планети, схожі на Землю, що обертаються навколо віддалених зірок, подібних до Сонця. Щоб виявити такі малі планети, телескопу, можливо, доведеться підтримувати оптичну стабільність у пікометровому масштабі. Це еквівалентно трильйонній частині метра або приблизно у 100–1 000 разів більшій стабільності, ніж у JWST.

FLIP пропонує потенційно інший шлях уперед. Замість того щоб покладатися на інженерні рішення для забезпечення ідеальної стабільності телескопа, астрономи, можливо, зможуть коригувати його незначні недосконалості.

«Нам невідомі планети навколо інших зірок, схожі на ті, що є в нашій Сонячній системі», — зазначив Феррер-Чавес. «Це не означає, що їх не існує. Просто ми не можемо їх побачити. Щоразу, коли ми вдосконалюємо наші методи, ми відкриваємо нові типи планет. Виявляючи все більше планет, ми можемо краще зрозуміти, як формуються та еволюціонують планетні системи, і, зрештою, наскільки типовою насправді є наша власна Сонячна система».

Дослідження під назвою «Отримання зображень екзопланет нижче межі стабільності телескопа» було підтримано Інститутом науки космічного телескопа, Фондом Слоуна та Національним науковим фондом.