Астрономи представили обчислювальний метод FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets), який дозволив створити точний цифровий двійник космічного телескопа «Джеймс Вебб» та повторно опрацювати його архівні знімки. У результаті вчені виділили сигнал газової екзопланети 51 Eridani b на довжині хвилі 4,3 мкм — діапазон, у якому до цього планета не проявлялася за жодного стандартного методу обробки. За даними розробників, це перше в історії пряме виявлення екзопланети саме на цій довжині хвилі, що відкриває нові можливості для вивчення атмосферних складів далеких світів.
Проблема, яка десятиліттями блокувала пряме спостереження
Головна перешкода для прямого зображення екзопланет — колосальний контраст яскравості між планетою та її зіркою. У типових системах планета може бути в мільйон разів тьмянішою за своє світило, і навіть крихітні зміни положення чи нахилу елементів оптичної системи телескопа — аж до кількох нанометрів — кардинально змінюють характер паразитного засвічення на детекторі. Стандартні методи боротьби з цим засвіченням спираються на еталонні знімки зірки, зняті в сусідніх кадрах, проте вони не враховують мікроскопічні відхилення оптичної схеми, через що слабкий планетний сигнал залишається «схованим» у залишковому шумі.
Як FLIP моделює фізику, а не просто вираховує шум
На відміну від традиційних підходів, FLIP не використовує готові еталонні зображення зірки. Алгоритм будує фізичну модель проходження світла крізь дзеркала телескопа та його потрапляння на детектори, а потім підбирає параметри віртуальної моделі так, щоб вона відтворювала реальні спостереження з урахуванням найменших відхилень оптичної системи. Після калібрування розраховану картину зоряного засвічення можна відняти з вихідного зображення, зберігши при цьому слабший сигнал планети. Розробники окремо верифікували, що алгоритм не видаляє разом із засвіченням і справжнє випромінювання планет: у вихідні дані додавали штучні планетні сигнали та перевіряли, чи відновлює програма їх після обробки.
Випробування на двох відомих системах
Метод перевірили на архівних спостереженнях двох зоряних систем із уже відомими екзопланетами — HIP 65426 та 51 Eridani. Під час випробувань FLIP продемонстрував чутливість до слабких планетних сигналів у 2–15 разів вищу, ніж стандартні методи обробки. Найбільш показовий результат отримано під час аналізу системи 51 Eridani: планету 51 Eridani b вперше виявили у 2015 році за допомогою наземних телескопів, і вона є молодою газовою планетою, співмірною за розмірами з Юпітером. «Джеймс Вебб» спостерігав цю систему на довжині хвилі 4,3 мкм — діапазоні, у якому астрономи вивчають вуглекислий газ в атмосферах планет, — проте за звичайної обробки сигнал 51 Eridani b не проявився. Після застосування FLIP планета стала видимою саме там, де її положення і очікувалося, а чутливість до її сигналу зросла вчетверо.
Повторний аналіз архіву та плани на майбутні обсерваторії
Оскільки FLIP працює з уже отриманими знімками, команда має намір застосувати його для повторного аналізу всього архіву «Джеймса Вебба» в пошуках екзопланет, які залишилися непоміченими під час первинної обробки. Метод не прив'язаний виключно до конструкції цього телескопа: розробники планують адаптувати його для космічної обсерваторії Nancy Grace Roman та низки наземних телескопів. Ще один перспективний напрямок — майбутній проєкт NASA Habitable Worlds Observatory, призначений для прямого спостереження планет земного типу навколо зірок, подібних до Сонця. Такі планети можуть бути приблизно в 10 мільярдів разів тьмянішими за свої зірки, і без фізичного моделювання оптичної системи їх виявлення буде практично неможливим.
