Nova softverska metoda izvlači jasnije slike egzoplaneta iz podataka Webbovog teleskopa

Snimanje egzoplaneta ozbiljan je izazov jer su matične zvijezde daleko svjetlije od planeta koji oko njih kruže — bilo da se planete snimaju direktno ili da se analizira svjetlost koja je prošla kroz njihovu atmosferu. Teleskopi se opremaju tzv. koronografima koji blokiraju dio zvjezdanog svjetla, ali njihova efikasnost ograničena je šumom koji nastaje zbog sitnih promjena u konfiguraciji i orijentaciji teleskopa između posmatranja. Tim istraživača sada je razvio softverski paket koji bolje modeluje te razlike i omogućava snimanje egzoplaneta sa manje šuma.

Kako radi nova metoda

Ključ metode je tzv. funkcija širenja tačke — matematički opis toga kako teleskop iskrivljuje sliku tačkastog izvora svjetlosti. Tačkasti izvor u stvarnosti nikad ne ostaje tačka na slici, nego je blago zamrljan zbog nesavršenosti hardvera i ograničenja u održavanju preciznog usmjeravanja teleskopa tokom snimanja.

Tu funkciju moguće je izvesti iz posmatranja poznatog cilja ili pokušati izračunati iz modela samog instrumenta. No, savremeni teleskopi su toliko složeni da klasični modeli imaju previše parametara za praktičnu obradu. Istraživači su se stoga, kako navode, okrenuli matematičkoj tehnici gradijentnog spuštanja, koja se uveliko koristi za podešavanje milijardi parametara u neuronskim mrežama i optimizovana je za rad na grafičkim procesorima.

Postupak, nazvan FLIP (skraćenica za „Physics-based Learning for Imaging Planets“, tj. fizikalno učenje za snimanje planeta), oslanja se na fizički model hardvera — u ovom slučaju NIRCam instrumenta svemirskog teleskopa James Webb — sa 106 parametara koje softver optimizuje. Kreće od simulirane funkcije širenja tačke, gradijentnim spuštanjem se optimizuje na podacima stvarne zvijezde, što na današnjem GPU-u traje nešto više od pola sata, a rezultati se zatim dotjeruju na konkretnoj naučnoj slici koja se analizira, jer se pojedine varijable razlikuju od posmatranja do posmatranja.

Rezultati testiranja

Metoda je isprobana na Webbovim podacima o zvijezdama HIP 65426 i 51 Eridani, za koje je poznato da imaju egzoplanete, te o zvijezdi TYC 5899, kod koje nisu poznati planeti, ali je poznata po velikim varijacijama među posmatranjima. Riječ je o mladim zvijezdama, a dvije od njih imaju masivne planete koje su još tople od gravitacionog sažimanja, pa su ranije već bile snimljene.

Primjenom FLIP-a tim je odnos signala i šuma povećao za faktor od 1,5 do 2, zavisno od posmatranja. Pri talasnoj dužini koja se koristi za detekciju ugljen-dioksida jedan od planeta je u Webbovim podacima uočen po prvi put. Kod zvijezde TYC 5899 pristup je osjetljivost posmatranja pojačao čak 15 puta.

Istraživači ističu da primjena ne prestaje na boljem pogledu na poznate planete — smanjenjem šuma postalo bi izvodljivije otkrivanje tamnijih, a time starijih ili manje masivnih planeta koje su dosad izmicale detekciji. Smatraju i da bi FLIP mogli prilagoditi tako da pokazuje gdje unosi najveće izmjene u model, što bi potencijalno moglo otkriti korisne informacije o ponašanju samog instrumenta.