Новый алгоритм повысил чувствительность телескопа «Джеймс Уэбб» к экзопланетам до 15 раз
На архивных снимках космического телескопа «Джеймс Уэбб» удалось обнаружить слабое инфракрасное излучение экзопланеты, которое ранее невозможно было отделить от света её звезды. Международная группа астрофизиков разработала алгоритм FLIP, повысивший чувствительность поиска планет в 2–15 раз по сравнению с традиционными методами обработки изображений. С его помощью исследователи впервые получили изображение уже известного газового гиганта 51 Эридана b на длине волны 4,3 микрометра. Для этого не потребовались новые наблюдения или модернизация оборудования телескопа.
Прямое наблюдение экзопланет остаётся сложной задачей из-за огромной разницы в яркости между планетой и её звездой. Даже молодые газовые гиганты могут быть примерно в 100 тысяч раз слабее своих светил. Для подавления звёздного света астрономы используют коронографы — специальные оптические устройства, перекрывающие наиболее яркое излучение звезды. Однако небольшие деформации зеркал, температурные изменения и микроскопические вибрации создают остаточные световые помехи, которые могут полностью скрывать находящуюся рядом планету.
Решение предложила группа исследователей под руководством Родриго Феррера-Чавеса из Северо-Западного университета США совместно со специалистами Калифорнийского технологического института, Массачусетского технологического института и Научного института космического телескопа. Разработанный ими метод Physics-based Learning for Imaging Planets (FLIP) создаёт цифровую модель оптической системы, воспроизводящую прохождение света через зеркала, коронограф и детекторы. Алгоритм последовательно корректирует миллионы параметров модели, добиваясь максимального сходства между рассчитанным и реальным распределением звёздного света. После вычитания смоделированного свечения на изображении становятся различимы слабые источники, ранее терявшиеся среди помех.
Для выполнения этих вычислений учёные использовали автоматическое дифференцирование — математический метод, применяемый при обучении нейросетей. Однако сам FLIP не распознаёт планеты с помощью искусственного интеллекта: его работа основана на физических законах распространения света и численной оптимизации параметров телескопа. Эффективность технологии проверили на наблюдениях инфракрасной камеры NIRCam в трёх звёздных системах: HIP 65426, 51 Эридана и TYC 5899. Во всех испытанных наборах данных новый метод обеспечил более качественное подавление звёздного свечения, чем стандартный алгоритм KLIP.
Особенно показательными оказались результаты обработки наблюдений 51 Эридана. Эта звезда имеет уже известную планету 51 Эридана b, однако на снимках в диапазоне 4,3 микрометра её сигнал прежде не удавалось уверенно обнаружить. После применения FLIP исследователи зарегистрировали излучение планеты с отношением сигнала к шуму 6,3, а чувствительность непосредственно в области её расположения повысилась примерно в четыре раза. Дополнительные измерения показали улучшение обнаружения той же планеты и на длине волны 4,1 микрометра, где отношение сигнала к шуму увеличилось в 2,1 раза.
Диапазон около 4,3 микрометра представляет особый интерес для планетологии, поскольку здесь находится одна из наиболее сильных полос поглощения углекислого газа. Земная атмосфера затрудняет проведение подобных измерений наземными телескопами, поэтому наблюдения из космоса позволяют получать сведения, недоступные с поверхности планеты. Новый результат даёт возможность уточнить инфракрасную яркость 51 Эридана b и исследовать химический состав её атмосферы. Предыдущие данные указывали на возможное содержание тяжёлых элементов примерно в пять раз выше, чем в родительской звезде, но для проверки этой оценки необходимы дополнительные фотометрические измерения и атмосферное моделирование.
Максимальное повышение чувствительности удалось продемонстрировать при обработке снимков звезды TYC 5899, у которой пока не обнаружено планетных спутников. Для проверки алгоритма исследователи добавляли на изображения искусственные сигналы планет известной яркости, после чего сравнивали способность разных методов их восстанавливать. На угловом расстоянии 0,5 секунды от звезды FLIP оказался примерно в 15 раз чувствительнее стандартного алгоритма, а на расстоянии одной секунды — примерно в пять раз. При этом эталонные изображения для TYC 5899 были получены за четыре месяца до основных наблюдений, что создавало дополнительные сложности из-за изменений оптических характеристик телескопа. Программный код FLIP исследователи опубликовали в открытом доступе, а архивные данные наблюдений доступны через систему MAST.
Исследование в журнале Nature.