В архиве «Джеймса Уэбба» нашли скрытую планету: новый метод цифрового двойника телескопа убирает звёздный свет в 2–15 раз точнее

Млечный Путь, как считается, содержит миллиарды планет за пределами Солнечной системы. Эти далёкие миры дают астрономам возможность изучать другие планетные системы, выявлять потенциально обитаемые среды и, возможно, однажды найти свидетельства жизни где-то ещё во Вселенной. Найти такие планеты — одна задача. Увидеть их — совсем другая. Большинство экзопланет обращаются вокруг звёзд, которые светят так ярко, что планеты почти невозможно отличить от окружающего сияния. Даже самые совершенные космические телескопы с трудом отделяют слабый свет далёкой планеты от подавляющей яркости её звезды.

Теперь исследователи разработали мощный новый метод удаления этого звёздного света с изображений телескопа, открывающий ранее скрытые планеты. Метод использует сложную компьютерную симуляцию космического телескопа «Джеймс Уэбб» и уже выявил экзопланету, скрытую в существующих наблюдениях. В испытаниях на известных планетах он достиг в 2–15 раз большей чувствительности обнаружения, чем обычные подходы.

Прорыв строится вокруг виртуальной копии ближнеинфракрасной камеры телескопа — прибора, предназначенного для наблюдения Вселенной в инфракрасном свете. Воссоздавая работу камеры, исследователи могут выявлять и исправлять крошечные несовершенства, мешающие её наблюдениям. Виртуальная модель, которую часто называют «цифровым двойником», позволяет учёным симулировать поведение телескопа и определять, как звёздный свет распространяется через его оптическую систему. Поняв картины, создаваемые звездой, они могут цифровым способом вычесть значительную часть этого сияния, делая слабые планеты легче для обнаружения.

«Прямое получение изображений экзопланет невероятно сложно, потому что даже мельчайшие несовершенства телескопа могут затруднить отделение слабого света планеты от подавляющего сияния её звезды, — объясняет Кэти Боуман из Калтеха, профессор вычислительных и математических наук, электротехники и астрономии, соавтор статьи в Nature, опубликованной онлайн 4 ноября. — Захватывает то, что мы показываем, как вычисления могут помочь преодолеть ограничения самого телескопа. Объединив физическую модель инструмента с методами оптимизации из машинного обучения, мы смогли удалять звёздный свет гораздо точнее, облегчая обнаружение слабых экзопланет и даже выявляя одну, которая ранее была скрыта в данных "Джеймса Уэбба"».

Исследователи назвали свой подход FLIP — «физически обоснованное обучение для изображения планет». Вместо того чтобы полагаться только на улучшения аппаратуры телескопа, система использует продвинутые вычисления, чтобы исправлять проблемы на уже собранных изображениях. Чтобы разработать FLIP, команда создала подробную физическую модель инфракрасной камеры телескопа. Затем с помощью вычислительных методов они изучили миллионы возможных несовершенств, тонких изменений и других неизвестных факторов, которые могут влиять на наблюдения. Эти небольшие вариации важны, потому что даже крайне лёгкое искажение может изменить то, как звезда выглядит на изображении. Когда астрономы пытаются убрать свет звезды, любое оставшееся сияние может заглушить куда более слабый сигнал соседней планеты.

Учитывая эти эффекты, FLIP строит очень точную модель внешнего вида звезды. Затем исследователи вычитают смоделированный звёздный свет из исходных наблюдений, позволяя стать видимыми ранее скрытым объектам. «Это первый раз, когда мы показали, что эти маленькие несовершенства или нестабильности не являются ограничивающим фактором для тех планет, которые мы можем изобразить, — говорит ведущий автор Родриго Феррер-Чавес, аспирант Северо-Западного университета в лаборатории астронома Джейсона Вана, также соавтора статьи. — Когда проходишь через этот итеративный процесс попыток понять, что телескоп на самом деле делает во время наблюдений, ты буквально видишь, как сияние звезды исчезает очень странными способами. Оно тускнеет и сильно деформируется, пока в конце не получаешь довольно чистую картину и, если повезёт, там есть пятно — светящаяся планета».

Идея FLIP начала складываться, когда Феррер-Чавес был студентом Автономного университета Юкатана в Мексике. Он уже участвовал в проекте летней исследовательской стипендии с Ваном, тогда постдокторантом программы имени 51 Пегаса в лаборатории Димитри Маве. Маве — профессор астрономии в Калтехе и старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА, которой управляет Калтех, а также директор по инструментам в оптических обсерваториях Калтеха. В то время Феррер-Чавес искал дополнительные возможности для исследований. Ван тем временем обсуждал потенциальное сотрудничество с Боуман, чтобы объединить её опыт в вычислительной визуализации с его знаниями об астрономических инструментах. Их общей целью было улучшить способность телескопов напрямую изображать экзопланеты.

Двое исследователей привлекли Феррера-Чавеса к проекту и начали его наставлять. Однако первоначальные усилия не дали результатов, на которые они надеялись. «Дипломная работа Родриго была исследованием возможных подходов, ни один из которых в итоге не стал тем, что мы сделали для этой статьи, но она помогла исключить то, чего делать не надо, и лучше понять проблему, — говорит Ван. — Я считаю, что наш недавний успех стал возможен только потому, что мы сначала проделали эту работу». Феррер-Чавес изначально пытался обучить модели машинного обучения предсказывать картины звёздного света в данных телескопа. Эта стратегия оказалась неудачной, что заставило команду переосмыслить, как использовать технологию.

Вместо того чтобы просить искусственный интеллект предсказывать, как должно выглядеть сияние, они обратились к вычислительным инструментам, разработанным для машинного обучения, чтобы выполнять детальные физические расчёты. Эти методы позволили исследователям настроить миллионы переменных — примерно как поворачивать огромное множество ручек управления. Каждая настройка уточняла их симуляцию телескопа, пока она не стала точнее воспроизводить реальные наблюдения. Выполнять столько расчётов вручную было бы непрактично. Получившийся подход объединяет физические законы, управляющие светом и оптикой телескопа, с вычислительной мощью современных методов оптимизации. Вместо простого угадывания, что нужно убрать с изображения, FLIP использует модель того, как телескоп создаёт это изображение.

Одна из самых захватывающих возможностей в том, что астрономам может не понадобиться новых наблюдений, чтобы воспользоваться открытием. «Джеймс Уэбб» уже собрал огромные объёмы астрономических данных, включая изображения звёзд, у которых могут быть планеты, слишком слабые для обнаружения прежними методами анализа. FLIP предлагает способ вернуться к этим наблюдениям и поискать объекты, которые пропустили. «Теперь у нас есть инструмент, который позволяет нам находить и изучать планеты, которые мы не могли "увидеть" раньше, даже если эта планета уже была на снимке в архиве "Джеймса Уэбба", — объясняет Феррер-Чавес. — Мы можем попытаться найти планеты, которые там могли пропустить, а также планеты, которые, возможно, пытались изобразить, но не смогли обнаружить в то время».

Это значит, что некоторые планеты, ранее считавшиеся недоступными для прямого изображения, потенциально можно выявить, не отправляя в космос ещё один телескоп. Это также меняет представление астрономов о существующих наблюдениях: изображение, на котором, кажется, нет ничего, кроме яркой звезды, может хранить дополнительную информацию о планетах, скрытых под её сиянием.

Астрономы десятилетиями разрабатывают технологии, чтобы уменьшить подавляющую яркость звёзд. Один из важных инструментов — коронограф, прибор, предназначенный блокировать звёздный свет, чтобы слабые объекты рядом можно было наблюдать чётче. Например, недавно запущенный космический телескоп НАСА имени Нэнси Грейс Роман несёт инструмент-коронограф, разработанный исследователями из Калтеха, Лаборатории реактивного движения и Научного центра астрономии в Калтехе. Но даже исключительно точная аппаратура имеет неизбежные ограничения. Ван объясняет, что физические инструменты сами по себе не могут достичь уровня коррекции, которого добивается FLIP при обработке изображений. «Космический телескоп "Джеймс Уэбб", на котором мы это продемонстрировали, оптически стабилен до нанометрового уровня, что звучит довольно впечатляюще, но это всё равно ограничивает, — говорит он. — Мы воодушевлены, потому что этот метод не привязан именно к "Уэббу". Благодаря некоторым очень специфическим особенностям конструкции его можно использовать на любом телескопе». Нанометр — одна миллиардная метра, то есть оптическая система телескопа сохраняет исключительную точность. Но даже возмущения такого невероятно малого масштаба могут мешать обнаружению планет рядом с яркими звёздами. FLIP предлагает другой путь обойти эту проблему: вместо того чтобы требовать от самого телескопа устранения каждого крошечного несовершенства, метод математически учитывает эти эффекты после наблюдений.

Исследователи намерены доработать FLIP и изучить, как он может работать с другими инструментами, включая телескоп имени Роман и наземные телескопы. Последствия могут выйти далеко за пределы сегодняшних обсерваторий. Исследователи считают, что их подход может помочь сформировать будущие космические миссии, особенно те, что предназначены для поиска планет, похожих на Землю. Одна из главных возможностей — предложенная НАСА обсерватория обитаемых миров, которая должна стать первым телескопом, специально спроектированным для поиска свидетельств жизни на планетах у других звёзд. Центральная задача — сфотографировать планеты земного типа в обитаемых зонах звёзд, похожих на Солнце. Но техническая задача огромна: планета земного типа у звезды солнечного типа может быть примерно в 10 миллиардов раз слабее самой звезды, что делает её исключительно трудной для отделения от окружающего света.

«Цель обсерватории обитаемых миров — найти планеты земного типа и обитаемые зоны звёзд солнечного типа методом прямого изображения, — говорит Феррер-Чавес. — Инженерная задача попытаться изобразить нечто примерно в 10 миллиардов раз слабее того, что находится прямо рядом с ним, — невероятно трудная: не просто очистить изображение, а построить телескоп, способный сделать такой снимок». FLIP мог бы сделать эту задачу более выполнимой. Если астрономы смогут цифровым способом удалять больше нежелательного звёздного света после получения изображения, будущим конструкциям телескопов, возможно, не придётся преодолевать каждый источник оптической нестабильности только за счёт аппаратуры. Подход может дать инженерам больше гибкости, а астрономам — извлекать больше информации из света, который собирают их приборы. «Я чувствую, что мы только что открыли новую границу, — говорит Ван. — Мы впервые вышли за предел стабильности телескопа с помощью этого нового метода, и эта новая парадигма, я думаю, может быть применена к любому инструменту, который пытается изображать экзопланеты».

Для Боуман долгосрочная цель куда масштабнее, чем просто найти больше далёких планет. Астрономы в конечном счёте надеются получить прямые изображения миров, похожих на Землю, и изучить их на предмет возможных признаков жизни. Для достижения этой цели потребуются крупные успехи в телескопостроении, астрономических приборах и обработке изображений. Но новое исследование показывает, что некоторые из самых важных улучшений могут прийти от лучших способов интерпретации данных, а не от постройки всё более точной аппаратуры. «Предстоит ещё долгий путь, но эта работа показывает, как много ещё возможно, когда мы объединяем достижения в области телескопов с вычислительной визуализацией, — говорит Боуман. — Иногда ключ к тому, чтобы увидеть что-то новое, — не просто построить лучший инструмент, а найти лучший способ осмыслить свет, который он собирает».

Остаётся вопрос: если метод FLIP уже вытащил скрытую планету из старых данных, — сколько ещё миров лежит в архиве «Джеймса Уэбба», которые никто не искал, и не окажется ли, что для поиска жизни на других планетах нам нужны не новые телескопы, а новые способы читать то, что уже снято?