Cyfrowy bliźniak Webba usuwa blask gwiazdy i odsłania ukrytą planetę

Planety bywają nawet milion razy słabsze od swoich gwiazd, dlatego łatwo je przeoczyć, i to także największym teleskopom. Zespół z Northwestern University opracował metodę, która z obrazów Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba usuwa gwiezdny blask znacznie dokładniej niż dotąd. Dzięki niej z danych sprzed dwóch lat wyłoniła się znana już planeta 51 Eridani b, której standardowa obróbka nie pozwalała dostrzec.

Gwiazda 51 Eridani A w obserwacji kamery NIRCam teleskopu Webba (filtr F430M) po odjęciu blasku różnymi metodami. Po lewej poprzednia metoda: pozostałe resztki poświaty zasłaniają miejsce, w którym spodziewano się planety (zaznaczone przerywanym kółkiem). W środku metoda FLIP, dzięki której 51 Eri b jest wyraźnie widoczna. Po prawej symulowany obraz planety, zgodny z jej położeniem na obrazie środkowym. Biała gwiazdka oznacza pozycję gwiazdy.
*Źr.: R. Ferrer-Chavez / Northwestern University*

Świetlik obok reflektora

Sfotografowanie planety krążącej wokół innej gwiazdy przypomina próbę dostrzeżenia świetlika tuż obok potężnego reflektora. Nawet stosunkowo jasne, młode olbrzymy mogą być około 100 tysięcy razy słabsze od swoich gwiazd. Dlatego Webb używa koronografów, czyli instrumentów zasłaniających tarczę gwiazdy. To jednak nie wystarcza: część światła przecieka i tworzy na obrazie poświatę, która potrafi przykryć planetę.

Astronomowie usuwają ją, odejmując od obserwacji zdjęcie innej, wzorcowej gwiazdy. Ta metoda, stosowana od dwóch dekad, ma jednak słaby punkt: żaden teleskop nie jest idealnie nieruchomy. Zmiany temperatury mogą rozszerzyć lub skurczyć zwierciadło o rozmiar rzędu pikometra, a silniczki chłodziarek mogą wprawiać zwierciadła w drgania. Każda taka zmiana modyfikuje wzór poświaty, więc obraz wzorcowy nigdy nie pasuje do obserwacji idealnie. Resztki blasku wystarczają, by ukryć słabą planetę.

Wirtualna kopia teleskopu

Zespół kierowany przez doktoranta Rodriga Ferrera-Chaveza wybrał inną drogę. Jego metoda nazywa się FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets, czyli uczenie oparte na fizyce na potrzeby obrazowania planet). Tworzy ona cyfrowego bliźniaka teleskopu: wirtualną replikę symulującą drogę światła gwiazdy przez zwierciadła aż do detektora. Korzystając z technik znanych z trenowania modeli sztucznej inteligencji, naukowcy dostrajają miliony parametrów tej kopii, by uwzględnić drobne przesunięcia i zniekształcenia optyki. Gdy symulacja zgadza się z rzeczywistą obserwacją, odejmuje się od niej wygenerowany blask.

Autorzy podkreślają, że to nie sztuczna inteligencja rozpoznaje planety. Współautor badania, astrofizyk Jason Wang, tłumaczy: Ponieważ znamy fizykę, nie potrzebujemy AI, żeby zrozumieć, co się dzieje.

Planeta odzyskana z archiwum

Metodę sprawdzono na archiwalnych obserwacjach Webba. Wybrano dwie gwiazdy ze znanymi planetami, HIP 65426 i 51 Eridani, oraz trzecią, TYC 5899, wokół której nie znaleziono żadnej planety. W analizowanych obserwacjach FLIP zwiększył czułość na słabe planety od 2 do 15 razy w porównaniu z konwencjonalną obróbką.

Najciekawszy wynik dotyczy 51 Eridani b, gazowego olbrzyma odkrytego w 2015 roku w układzie odległym od nas o niespełna 100 lat świetlnych. W obserwacji kamery NIRCam w filtrze F430M, czyli w podczerwieni o długości fali około 4,3 mikrometra, klasyczna metoda odejmowania nie wykryła planety. Po zastosowaniu FLIP pojawiła się ona w oczekiwanym miejscu, z istotnością statystyczną powyżej 5 sigma, a więc z bardzo wysoką pewnością. Trudność miała dodatkową przyczynę: dwutlenek węgla w atmosferze planety pochłania podczerwień o tej długości fali, więc jej sygnał jest tam jeszcze słabszy. Ta sama cecha czyni jednak takie obserwacje cennymi, bo mogą ujawnić skład atmosfery.

Co dalej

Na razie autorzy chcą szukać planet ukrytych w już zebranych danych i badać je w różnych zakresach fal. Metoda może też pozwolić wykrywać mniejsze, chłodniejsze i słabsze światy bez zmian w sprzęcie.

Dalsza perspektywa dotyczy Habitable Worlds Observatory, proponowanego teleskopu NASA, który miałby bezpośrednio fotografować planety podobne do Ziemi wokół gwiazd podobnych do Słońca. Taki teleskop może wymagać stabilności optycznej na poziomie pikometrów, czyli 100–1000 razy lepszej niż w Webbie. FLIP podsuwa potencjalną alternatywę: zamiast budować teleskop idealnie stabilny, można programowo korygować jego drobne niedoskonałości. To jednak wciąż kierunek badań, a nie sprawdzone rozwiązanie, bo w tej pracy metodę przetestowano na trzech gwiazdach.

Ferrer-Chavez przypomina, że dotychczasowe metody najłatwiej wykrywają planety duże, jasne lub krążące blisko swoich gwiazd. Dlatego układów naprawdę podobnych do Układu Słonecznego, z małymi, chłodnymi planetami na odległych orbitach, praktycznie nie widać. Jego zdaniem nie znaczy to, że ich nie ma, tylko że nie potrafimy ich jeszcze dostrzec.