Planet 51 Eridani b već je bio na snimci svemirskog teleskopa James Webb, ali ga prethodna analiza nije uspjela izdvojiti iz sjaja njegove zvijezde. Tim predvođen istraživačima sa Sveučilišta Northwestern sada ga je pronašao u istim podacima, nakon što je računalnim modelom preciznije uklonio zvjezdanu svjetlost.
Astronomi su otkriće 51 Eridani b objavili još 2015. godine. Novi rezultat pokazuje koliko informacija može ostati skriveno u već prikupljenim snimkama. Tim je izradio računalni model Webbove kamere NIRCam i prilagođavao ga dok nije dovoljno dobro rekonstruirao zvjezdani sjaj koji je prekrivao slab signal planeta.
Metoda se zove FLIP, prema engleskom nazivu Physics-based Learning for Imaging Planets. Prema Caltechovoj objavi o istraživanju, u ispitivanjima je postigla od dva do 15 puta veću osjetljivost od standardnih postupaka. Rad je objavljen 4. studenoga u časopisu Nature.
Najsjajniji dio snimke skriva ono što astronomi traže
Izravno snimanje egzoplaneta zahtijeva razdvajanje dvaju vrlo nejednakih izvora svjetlosti. Zvijezda snažno svijetli, a planet se na snimci pojavljuje kao znatno slabiji objekt u njezinoj neposrednoj blizini. Čak i kada instrument blokira velik dio zvjezdane svjetlosti, preostali sjaj i uzorci koje stvara optički sustav mogu prekriti planet.
Problem dodatno otežavaju sitna odstupanja stvarnog teleskopa od idealnog instrumenta. Malene optičke nepravilnosti i nestabilnosti mijenjaju način na koji se svjetlost raspoređuje po detektoru. Za astronoma koji pokušava izdvojiti vrlo slab izvor, takvi su detalji presudni.
Slična poteškoća pojavila se u ranijem Webbovu promatranju sustava Epsilon Eridani, gdje se mogući planetarni signal nalazio uz instrumentalni artefakt. To je drugi zvjezdani sustav, ali dobro pokazuje zašto je važno razumjeti što je na snimci ostavio instrument, a što stvarni nebeski objekt.
Digitalni teleskop s milijunima parametara
Istraživači su za FLIP izradili fizički model Webbove bliske infracrvene kamere NIRCam. Taj digitalni blizanac opisuje kako svjetlost prolazi kroz instrument i kakav bi trag zvijezda trebala ostaviti na snimci. Računalo zatim mijenja velik broj parametara kako bi model što bolje odgovarao stvarnom opažanju.
Postupak uključuje optimizacijske alate razvijene u području strojnog učenja. Njihova je uloga pronalaženje odgovarajućih postavki fizičkog modela. Rezultat se temelji na modeliranju optike teleskopa i usporedbi s izmjerenim podacima. Tim je ranije pokušao trenirati modele da predviđaju izgled zvjezdanog sjaja, ali taj pristup nije doveo do konačnog rješenja.
Glavni autor Rodrigo Ferrer-Chavez, doktorand u skupini astronoma Jasona Wanga na Northwesternu, opisuje postupno usklađivanje modela s onim što se događalo tijekom promatranja. Kako se model poboljšava, zvjezdani sjaj sve se preciznije oduzima iz podataka. Tada postaje moguće prepoznati izvor koji je prije bio izgubljen u njemu.
Među autorima je i Caltechova istraživačica računalnog snimanja Katie Bouman. U suradnji su povezani poznavanje teleskopskih instrumenata, fizičko modeliranje i računalne metode obrade slike.
Provjera na planetu čiji su položaj već poznavali
Na primjeru 51 Eridani b tim je mogao provjeriti pojavljuje li se signal ondje gdje se planet očekuje. Standardna obrada istog opažanja nije dala njegovu detekciju. Nakon primjene FLIP-a izdvojen je značajan signal na očekivanom položaju, a njegov je izgled odgovarao simuliranom planetarnom izvoru.
Takva usporedba važna je jer sama svijetla točka na obrađenoj snimci nije dovoljna. Treba pokazati da njezin položaj i oblik imaju smisla te da rezultat proizlazi iz opažanja. U ovom slučaju poznati planet poslužio je kao provjera sposobnosti nove metode.
Mogućnost ponovnog pregleda arhive već se pokazala vrijednom u astronomiji. Nakon otkrića trećeg planeta oko Beta Pictorisa, istraživači su njegov trag prepoznali i na starijim snimkama. FLIP donosi drukčiji alat za srodan cilj: iz već prikupljene svjetlosti izvući signal koji je dotadašnjoj obradi bio nedostupan.
Arhivske snimke dobivaju novu vrijednost
Tim planira usavršavati metodu i prilagoditi je drugim instrumentima, uključujući svemirski teleskop Nancy Grace Roman i teleskope na Zemlji. Budući da FLIP počiva na modelu instrumenta, primjena na drugi teleskop zahtijeva odgovarajući opis njegova optičkog sustava.
Rezultati su zanimljivi i za planirani Habitable Worlds Observatory, budući opservatorij namijenjen izravnom promatranju planeta nalik Zemlji uz druge zvijezde. Takve su mete osobito zahtjevne zbog goleme razlike u sjaju između planeta i zvijezde.
Za sada je najkonkretniji dobitak vidljiv na postojećoj Webbovoj snimci: planet koji je ranija analiza propustila sada se može izdvojiti. Sljedeći korak bit će utvrditi koliko se takvih propuštenih prilika nalazi u arhivama i u kojim uvjetima nova metoda daje najpouzdanije rezultate.
