На снимках космического телескопа «Джеймс Уэбб» могут скрываться планеты, которые астрономы до сих пор не замечали. Учёные разработали новый способ обработки изображений, позволяющий обнаруживать чрезвычайно тусклые объекты рядом с яркими звёздами. Метод уже помог выявить ранее незамеченную экзопланету, а его чувствительность при испытаниях оказалась в 2–15 раз выше, чем у традиционных подходов.
Главная проблема при поиске экзопланет заключается в огромной разнице яркости между ними и звёздами, вокруг которых они обращаются. Планета может находиться совсем рядом со звездой на изображении, но её слабый свет практически невозможно различить на фоне мощного сияния. Даже самые современные телескопы не всегда способны справиться с этой задачей.
Чтобы уменьшить влияние звёздного света, астрономы используют специальные приборы — коронографы. Они блокируют значительную часть излучения звезды, позволяя рассмотреть расположенные поблизости объекты. Однако полностью избавиться от помех не удаётся. Даже мельчайшие несовершенства оптической системы и незначительные изменения её состояния искажают изображение и создают остаточное свечение, за которым могут скрываться планеты.
Исследователи из нескольких американских научных учреждений предложили решать эту проблему не только с помощью оборудования, но и посредством сложных вычислений. Они создали цифровую копию инфракрасной камеры телескопа «Джеймс Уэбб», которая воспроизводит прохождение света через его оптическую систему.
Такая модель позволяет определить, как именно должна выглядеть звезда на снимке с учётом особенностей телескопа. Затем рассчитанное изображение звезды математически вычитается из настоящего снимка. В результате её сияние значительно ослабевает, а прежде незаметные объекты становятся различимыми.
Но для этого недостаточно просто смоделировать идеальный телескоп. Необходимо учитывать множество мельчайших отклонений, которые возникают во время наблюдений. Поэтому учёные разработали систему, способную анализировать миллионы возможных изменений параметров оптической системы и постепенно подбирать их так, чтобы цифровая модель максимально точно соответствовала реальным данным.
В основе метода лежат физические законы распространения света и математические способы оптимизации, применяемые при машинном обучении. При этом искусственный интеллект не пытается самостоятельно угадать, как выглядит звёздное свечение. Вместо этого вычислительная система уточняет физическую модель телескопа, последовательно уменьшая расхождения между расчётным и наблюдаемым изображениями.
Интересно, что первоначально исследователи пошли другим путём. Они пытались обучить компьютерные модели непосредственно предсказывать распределение звёздного света на снимках, но этот подход не дал желаемых результатов. Неудача заставила команду изменить стратегию и сосредоточиться на точном моделировании физических процессов.
Новый способ оказался особенно эффективным при работе с данными «Джеймса Уэбба». Хотя оптическая система телескопа сохраняет стабильность с точностью до нанометров — миллиардных долей метра, — даже столь незначительные отклонения мешают обнаружению слабых объектов. Разработанная технология позволяет математически учитывать эти несовершенства и получать более чистые изображения.
При проверке на уже известных экзопланетах новый метод обеспечил повышение чувствительности обнаружения в 2–15 раз по сравнению с обычными способами обработки. Кроме того, исследователям удалось выявить планету, которая присутствовала на ранее полученных снимках телескопа, но оставалась незамеченной при прежнем анализе.
Это открывает интересную возможность: для поиска новых экзопланет не всегда потребуются дополнительные наблюдения. «Джеймс Уэбб» уже собрал огромное количество изображений, и некоторые из них могут содержать планеты, свет которых раньше не удавалось отделить от излучения звёзд. Повторная обработка архивных данных потенциально позволит обнаружить такие миры без новых наблюдений.
В дальнейшем учёные намерены усовершенствовать технологию и проверить её на других инструментах, включая наземные обсерватории и космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман. По мнению исследователей, принцип метода достаточно универсален, чтобы применять его к различным оптическим системам.
Особенно важной эта разработка может оказаться для будущих космических миссий, предназначенных для поиска планет, похожих на Землю. Одна из таких миссий — проектируемая обсерватория обитаемых миров, которая должна искать землеподобные планеты в зонах обитаемости звёзд, напоминающих Солнце.
Зона обитаемости — это область вокруг звезды, где при подходящих атмосферных условиях на поверхности планеты может существовать жидкая вода. Однако получить непосредственное изображение такого мира чрезвычайно трудно. Землеподобная планета возле звезды, похожей на Солнце, может быть примерно в 10 миллиардов раз тусклее своей звезды.
Чтобы различить столь слабый объект, необходимы исключительно точные оптические приборы и эффективные методы подавления звёздного света. Новая технология потенциально позволит частично компенсировать неизбежные несовершенства оборудования с помощью вычислений, облегчив разработку будущих телескопов.
Пока речь не идёт об обнаружении жизни или даже о возможности непосредственно фотографировать аналоги Земли с помощью нового метода. Однако исследование показывает, что возможности существующих телескопов определяются не только качеством их оптики, но и тем, насколько точно учёные способны обрабатывать полученные данные.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature. Исследователи рассчитывают, что дальнейшее развитие технологии позволит находить всё более тусклые экзопланеты и в перспективе приблизит астрономов к получению непосредственных изображений миров, похожих на Землю.
