Алгоритм FLIP відкрив приховану екзопланету в архіві телескопа Джеймса Вебба

Такий «цифровий двійник» дає змогу з високою точністю передбачити, який візерунок має утворювати в кадрі світло зорі. Знаючи цю модель, дослідники можуть цифрово відняти більшу частину зоряного сяйва з реальних спостережень, залишаючи на зображенні слабкі об’єкти поруч — зокрема екзопланети.

«Пряме зображення екзопланет неймовірно складне, тому що навіть крихітні недосконалості телескопа заважають відокремити слабке світло планети від приголомшливо яскравого сяйва зорі», — пояснює Кеті Бауман (Katie Bouman) з Каліфорнійського технологічного інституту, співавторка статті в Nature про новий метод. Вона наголошує, що поєднання фізичної моделі інструмента та обчислювальних методів із машинного навчання дозволило значно точніше прибирати зоряне світло і навіть виявити в даних JWST планету, яку раніше не вдавалося побачити.

Як працює FLIP: «фізичне навчання» для зображень планет

Новий підхід отримав назву Physics-based Learning for Imaging Planets (FLIP) — «фізично обґрунтоване навчання для зображення планет». На відміну від підходів, що спираються лише на вдосконалення апаратури телескопа, FLIP зосереджується на обробці вже зібраних зображень.

Команда побудувала детальну фізичну модель інфрачервоної камери Вебба і за допомогою обчислювальних методів проаналізувала мільйони можливих дрібних недосконалостей і змін, які можуть впливати на форму зображення зорі. Навіть мінімальні деформації на рівні нанометрів змінюють те, як виглядає зоря у кадрі, і залишки її сліпучого ореолу можуть «затирати» сигнал від сусідньої планети.

FLIP враховує ці ефекти та створює надточну модель вигляду зорі для конкретного спостереження. Потім цю змодельовану картину зоряного світла віднімають від початкових даних, і на оновленому зображенні стають видимими об’єкти, які раніше губилися в засвіченні.

Провідний автор роботи Родріго Феррер-Чавес (Rodrigo Ferrer-Chavez) з Північно-Західного університету зазначає, що вперше показано: дрібні нестабільності оптики більше не є жорсткою межею для того, які планети можна сфотографувати безпосередньо. У процесі багаторазового уточнення моделі «сяйво зорі зникає в дуже дивний спосіб — стає слабшим і деформується, аж поки наприкінці ви не бачите досить чисте зображення; і якщо пощастить, там є світна пляма — це планета», пояснює дослідник.

Від невдалого експерименту до прориву

Ідея FLIP зародилася ще тоді, коли Феррер-Чавес був студентом в Автономному університеті Юкатана в Мексиці. Він співпрацював з астрономом Джейсоном Ваном (Jason Wang), який разом із Кеті Бауман планував об’єднати її досвід у комп’ютерній візуалізації з власними знаннями про астрономічні інструменти, щоб покращити пряме зображення екзопланет.

Перший спільний проєкт виявився радше навчальним етапом. Феррер-Чавес намагався навчити моделі машинного навчання напряму передбачати візерунки зоряного світла на знімках, але цей підхід не спрацював. Команда змінила стратегію: замість того, щоб просити штучний інтелект «вгадувати» засвіт, вони взяли з машинного навчання потужні методи оптимізації й застосували їх для точних фізичних розрахунків.

Так вони отримали систему, яка може коригувати мільйони параметрів, немов налаштовуючи гігантську панель регуляторів. Кожна ітерація трохи покращує відповідність моделі реальному зображенню, доки симуляція телескопа максимально не наблизиться до спостережень. Такий підхід був би практично неможливим без сучасних обчислювальних ресурсів.

Скарб у архівах Джеймса Вебба

Один із головних наслідків розробки — у тому, що для відкриттів необов’язково чекати нових місій. Телескоп Джеймса Вебба вже зібрав величезний масив даних, зокрема зображення зір, біля яких можуть обертатися надто тьмяні планети, щоб їх виявили попередні методи аналізу.

FLIP дає змогу повернутися до цих архівних спостережень і шукати в них об’єкти, які лишилися непоміченими. За словами Феррер-Чавеса, тепер астрономи можуть знову переглядати знімки, де, здавалося, є лише яскрава зоря, і перевіряти, чи не приховано там сигнал планет під засвіченням.

Це означає, що деякі світи, які раніше вважалися недосяжними для прямого зображення, можуть бути ідентифіковані без запуску нових телескопів — лише завдяки кращому аналізу вже наявного світла.

Поза фізичними обмеженнями телескопів

Десятиліттями астрономи вдосконалюють апаратуру, щоб приглушити сяйво зір. Один із ключових інструментів — коронограф, який фізично блокує світло зорі й дає побачити тьмяні об’єкти поруч. Наприклад, новий космічний телескоп Nancy Grace Roman нестиме спеціальний коронограф для прямого зображення екзопланет.

Однак навіть надточні прилади мають межі. Оптика Вебба стабільна на рівні нанометрів (одна мільярдна метра), але й такі мізерні збурення заважають виявляти планети поряд із дуже яскравими зорями. За словами Вана, жоден фізичний інструмент сам по собі не дає настільки глибокого придушення засвітки, як FLIP при обробці даних.

Перевага методу в тому, що він враховує недосконалості математично вже після спостереження, замість вимагати від телескопа ідеальної стабільності. Автори підкреслюють, що техніка не прив’язана лише до JWST: завдяки особливостям свого дизайну її потенційно можна адаптувати до будь-якого телескопа, що намагається безпосередньо знімати екзопланети, зокрема й наземні обсерваторії та майбутній телескоп Roman.

Крок до пошуку другої Землі

Дослідники вважають, що їхній підхід може вплинути й на проєктування наступних космічних місій. Один із головних кандидатів — запропонована обсерваторія Habitable Worlds Observatory (HWO), яку планують спеціально для пошуку ознак життя на планетах біля зір, схожих на Сонце.

Завдання такої місії надзвичайно складне: Землеподібна планета в придатній для життя зоні може бути приблизно у 10 мільярдів разів тьмянішою за свою зорю. Побачити настільки слабкий об’єкт поруч із яскравим джерелом світла — колосальний інженерний виклик і для оптики, і для обробки даних.

FLIP здатен частково зняти цю напругу: якщо більше небажаного зоряного світла можна цифрово видалити після отримання зображення, то конструкція майбутніх телескопів не мусить повністю усувати всі джерела нестабільності «залізом». Це дає інженерам більше свободи, а астрономам — можливість витягувати з даних значно більше інформації.

Співавтори роботи припускають, що поєднання нових інструментів і просунутих методів обробки, подібних до FLIP, може відкрити новий етап у пошуку іншого життя у Всесвіті. Як підсумовує Бауман, іноді ключ до нових відкриттів полягає не лише в будівництві досконаліших телескопів, а й у тому, щоб навчитися по-новому інтерпретувати світло, яке вони вже зібрали.

Алгоритм FLIP відкрив приховану екзопланету в архіві телескопа Джеймса Вебба з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com