Астрономы сталкиваются с огромной технической проблемой при попытке сфотографировать планеты, вращающиеся вокруг других звезд; яркий свет звезды полностью затмевает слабый свет, исходящий от планеты. Несмотря на использование коронографов (coronagraphs) для блокирования звездного света, незначительные отклонения в ориентации телескопа и его физической конфигурации создают визуальный «шум», который препятствует возможности извлечения точных данных о окружающих планетах.
Преодоление препятствия «функции рассеяния точки»
Основная проблема заключается в техническом понятии, известном как «функция рассеяния точки» (Point Spread Function — PSF), которая представляет собой математическое описание того, как телескоп искажает точку света, превращая ее в размытое изображение из-за дефектов оборудования или неточности наведения. Исторически ученые полагались либо на съемку известных объектов для вывода этой функции, либо на попытки построить сложные математические модели оборудования, но оба подхода сталкивались с ограничениями; традиционные модели содержат огромное количество переменных, которые трудно точно настроить.
Для решения этой дилеммы группа исследователей разработала инновационный программный пакет под названием FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets). Эта технология основана на методах искусственного интеллекта, а именно на методе «градиентного спуска» (gradient descent), используемом при обучении массивных нейронных сетей, примененном к физической модели прибора NIRCam, установленного на телескопе «Джеймс Уэбб». FLIP позволяет настраивать до одного миллиона параметров (parameter) в модели, и этот сложный процесс занимает всего полчаса с использованием графических процессоров (GPU).
Ощутимые результаты в наблюдении за планетами
Тесты доказали эффективность технологии при ее применении к данным звезд, вокруг которых известно наличие планет, таких как HIP 65426 и 51 Eridani. FLIP достигла значительных технических результатов, в том числе:
- Увеличение отношения сигнал/шум (SNR) в 1,5–2 раза в некоторых наблюдениях.
- Впервые зафиксирована планета в диапазоне длин волн, позволяющем обнаружить наличие углекислого газа.
- Повышение чувствительности наблюдений звезды TYC 5899 в 15 раз — это звезда, характеризующаяся значительными изменениями между наблюдениями.
Что изменится на практике?
Важность этого достижения не ограничивается лишь улучшением качества текущих изображений, но и открывает новые горизонты в астрономических исследованиях:
- Открытие новых планет: Благодаря снижению уровня шума станет возможным наблюдение более тусклых планет, таких как более старые или менее массивные, которые ранее исчезали за сиянием звезд.
- Диагностика состояния телескопа: Программное обеспечение можно адаптировать для определения мест, где происходят наибольшие изменения в модели, что может предоставить ценную техническую информацию о физическом состоянии компонентов телескопа и их работе с течением времени.