Астрономы представили вычислительный метод FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets), который позволил создать точный цифровой двойник космического телескопа «Джеймс Уэбб» и повторно обработать его архивные снимки. В результате учёные выделили сигнал газовой экзопланеты 51 Eridani b на длине волны 4,3 мкм — диапазон, в котором до этого планета не проявлялась ни при одном стандартном методе обработки. По данным разработчиков, это первое в истории прямое обнаружение экзопланеты именно на этой длине волны, что открывает новые возможности для изучения атмосферных составов далёких миров.

Проблема, которая десятилетиями блокировала прямое наблюдение

Главное препятствие для прямого изображения экзопланет — колоссальный контраст яркости между планетой и её звездой. В типичных системах планета может быть в миллион раз тусклее своего светила, и даже крошечные изменения положения или наклона элементов оптической системы телескопа — вплоть до нескольких нанометров — кардинально меняют характер паразитной засветки на детекторе. Стандартные методы борьбы с этой засветкой опираются на эталонные снимки звезды, снятые в соседних кадрах, однако они не учитывают микроскопические отклонения оптической схемы, из-за чего слабый планетный сигнал остаётся «спрятанным» в остаточном шуме.

Как FLIP моделирует физику, а не просто вычитает шум

В отличие от традиционных подходов, FLIP не использует готовые эталонные изображения звезды. Алгоритм строит физическую модель прохождения света через зеркала телескопа и его попадания на детекторы, а затем подбирает параметры виртуальной модели так, чтобы она воспроизводила реальные наблюдения с учётом мельчайших отклонений оптической системы. После калибровки рассчитанную картину звёздной засветки можно вычесть из исходного изображения, сохранив при этом более слабый сигнал планеты. Разработчики отдельно верифицировали, что алгоритм не удаляет вместе с засветкой и настоящее излучение планет: в исходные данные добавляли искусственные планетные сигналы и проверяли, восстанавливает ли программа их после обработки.

Испытания на двух известных системах

Метод проверили на архивных наблюдениях двух звёздных систем с уже известными экзопланетами — HIP 65426 и 51 Eridani. В ходе испытаний FLIP продемонстрировал чувствительность к слабым планетным сигналам в 2–15 раз выше, чем стандартные методы обработки. Наиболее показательный результат получен при анализе системы 51 Eridani: планету 51 Eridani b впервые обнаружили в 2015 году с помощью наземных телескопов, и она представляет собой молодую газовую планету, сопоставимую по размерам с Юпитером. «Джеймс Уэбб» наблюдал эту систему на длине волны 4,3 мкм — диапазоне, в котором астрономы изучают углекислый газ в атмосферах планет, — однако при обычной обработке сигнал 51 Eridani b не проявился. После применения FLIP планета стала видна именно там, где её положение и ожидалось, а чувствительность к её сигналу увеличилась в четыре раза.

Повторный анализ архива и планы на будущие обсерватории

Поскольку FLIP работает с уже полученными снимками, команда намерена применить его для повторного анализа всего архива «Джеймса Уэбба» в поисках экзопланет, которые остались незамеченными при первоначальной обработке. Метод не привязан исключительно к конструкции этого телескопа: разработчики планируют адаптировать его для космической обсерватории Nancy Grace Roman и ряда наземных телескопов. Ещё одно перспективное направление — будущий проект NASA Habitable Worlds Observatory, предназначенный для прямого наблюдения планет земного типа вокруг звёзд, подобных Солнцу. Такие планеты могут быть примерно в 10 миллиардов раз тусклее своих звёзд, и без физического моделирования оптической системы их обнаружение будет практически невозможным.