Телескоп «Джеймс Уэбб» увидел планету, которую скрывал свет её звезды: помог цифровой двойник телескопа

Иногда в астрономии можно увидеть больше, убрав свет. Именно это произошло, когда астрономы нашли способ заблокировать свет родительской звезды в наблюдениях космического телескопа «Джеймс Уэбб» — и из темноты проявилась гигантская планета.

Речь о 51 Eridani b — газовом гиганте массой около 11 масс Юпитера, который обращается вокруг звезды на расстоянии примерно 97 световых лет от Земли. Планету обнаружили в 2015 году наземные телескопы, но в наблюдениях «Уэбба» её не было. Это не недостаток телескопа. Причина — свет звезды 51 ERI A, который заслонял эту массивную планету.

Самые яркие планеты в 100 тысяч раз тусклее своих звёзд. Заметить их — всё равно что разглядеть светлячка рядом с маяком. Даже коронограф, инструмент для блокировки света звезды, не спасает: он не убирает весь звёздный свет. Единственное решение — компьютерная программа, которая стирает звёздный свет.

«Последние 20 лет астрономы решали эту проблему, наблюдая другую звезду и используя её изображение как эталон, — объяснил Джейсон Ван из Северо-Западного университета. — Затем эталонное изображение вычитают из исходного наблюдения, чтобы убрать нежелательное свечение и выявить тусклые планеты, которые иначе могли бы остаться скрытыми».

Но у этого метода есть проблема. Даже самые стабильные телескопы «дрожат». «Уэббу» нужны криокулеры, чтобы держать инструмент NIRCam очень холодным, а у этих охладителей есть маленькие моторы, которые могут вызывать вибрацию зеркал. Это движение, каким бы малым оно ни было, вызывает рассеяние звёздного света. В результате остаётся достаточно свечения, чтобы скрыть планету. Ван и его коллеги разработали новый подход.

Они создали цифрового «двойника» телескопа — виртуальную копию, которая симулирует, как звёздный свет проходит через зеркала и достигает детекторов. Затем этого двойника настраивают, учитывая миллионы мельчайших несовершенств реального телескопа, пока он не совпадёт с наблюдениями. После этого симулированное свечение можно вычесть из исходного изображения. Метод назвали FLIP — физически обоснованное обучение для изображения планет.

Чтобы проверить технику, исследователи заново изучили наблюдения «Уэбба» двух систем с известными экзопланетами — HIP 65426 и 51 Eridani — и одной системы TYC 5899 без известных планет. FLIP превзошёл обычные методы обработки изображений в 2–15 раз. Это позволило ERI b проявиться в данных, собранных «Уэббом» два года назад.

«Мы показали, что можем восстановить планету, которую раньше не видели, — сказал Ван. — Это реальные данные в реальной ситуации. Это была наука, оставленная на столе, потому что у нас не было нужных инструментов, чтобы проанализировать данные оптимальным образом».

Команда надеется, что FLIP примут и другие астрономы, чтобы найти ранее неизвестные экзопланеты, скрытые свечением их звёзд. Это может стать серьёзным подспорьем для предложенной NASA обсерватории обитаемых миров, которая нацелена на прямую съёмку планет, похожих на Землю, вокруг далёких солнцеподобных звёзд.

«Мы не знаем планет вокруг других звёзд, похожих на планеты нашей Солнечной системы, — сказал руководитель команды Родриго Феррер-Чавес из Северо-Западного университета. — Не потому, что их нет. Потому что мы их не видим. Каждый раз, когда мы улучшаем наши методы, мы открываем новые типы планет. Находя больше планет, мы лучше понимаем, как планетные системы формируются и эволюционируют».

Вопрос, который остаётся: если цифровой двойник телескопа позволяет увидеть то, что было скрыто, то сколько ещё планет уже запечатлено на снимках «Уэбба» — но до сих пор не проявилось, потому что мы просто не знали, как их искать?