При повторной обработке архивных наблюдений алгоритм обнаружил планету 51 Eridani b на длине волны, на которой её прежде не удавалось увидеть
Астрономы разработали FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets) — вычислительный метод, который создал цифрового двойника телескопа «Джеймс Уэбб» и моделирует прохождение света через его оптическую систему. С его помощью учёные повторно обработали архивные снимки и обнаружили сигнал газовой экзопланеты 51 Eridani b, который не удавалось выделить стандартными методами. Это первое обнаружение планеты на длине волны 4,3 мкм.
Главная сложность прямого наблюдения экзопланет заключается в огромной разнице яркости между ними и их звёздами. Планеты могут быть в миллион раз тусклее, поэтому звёздный свет способен полностью скрыть их излучение. Даже небольшие изменения положения или наклона элементов оптической системы — вплоть до нескольких нанометров — меняют характер засветки. Из-за этого её трудно точно вычесть из изображения.
Вместо того чтобы использовать только эталонные снимки звезды, FLIP моделирует физический процесс прохождения света через зеркала телескопа и его попадания на детекторы. Алгоритм подбирает параметры виртуальной модели так, чтобы она воспроизводила реальные наблюдения, включая мельчайшие отклонения оптической системы. После этого рассчитанную картину звёздной засветки можно удалить из изображения, сохранив более слабый сигнал планеты.
Источник изображения: NASA
Разработку проверили на архивных наблюдениях двух звёздных систем с известными экзопланетами — HIP 65426 и 51 Eridani. В ходе испытаний FLIP показал чувствительность к слабым планетным сигналам в 2–15 раз выше, чем стандартные методы обработки. Учёные отдельно проверили, не удаляет ли алгоритм вместе со звёздной засветкой и настоящее излучение планет: для этого они добавляли в исходные данные искусственные сигналы и проверяли, удаётся ли программе восстановить их после обработки.
Наиболее показательный результат получили при анализе системы 51 Eridani. Планету 51 Eridani b впервые обнаружили в 2015 году с помощью наземных телескопов. Это молодая газовая планета, сопоставимая с Юпитером. Позднее «Джеймс Уэбб» наблюдал систему на длине волны 4,3 мкм — в этом диапазоне астрономы, в частности, изучают углекислый газ в атмосферах планет. Однако при обычной обработке снимков 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 4 раза.
Поскольку FLIP позволяет работать с уже полученными снимками, команда планирует применить его для повторного анализа архива «Джеймса Уэбба» в поисках экзопланет, которые остались незамеченными при первоначальной обработке. Метод не привязан исключительно к конструкции этого телескопа: разработчики намерены адаптировать его для космической обсерватории Nancy Grace Roman и наземных телескопов. Ещё одно возможное применение — будущий проект NASA Habitable Worlds Observatory, предназначенный для прямого наблюдения планет земного типа вокруг звёзд, подобных Солнцу. Такие планеты могут быть примерно в 10 млрд раз тусклее своих звёзд.
