Cyfrowy bliźniak Jamesa Webba pozwala dostrzec planety nawet 15 razy słabsze

Kamery Webba już wcześniej zarejestrowały tę planetę. Znajdowała się na zdjęciach młodej pobliskiej gwiazdy, ukryta pod mgiełką resztkowego światła gwiazdy, a standardowa metoda oczyszczania takich obrazów nie potrafiła jej wydobyć. Nowa technika, która odtwarza Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w oprogramowaniu, a następnie odejmuje blask przewidziany przez tę wirtualną kopię, pozwoliła ją teraz uwidocznić.

Korzyść jest znaczna. Zastosowana do istniejących obserwacji Webba metoda sprawiła, że słabe planety stały się od dwóch do piętnastu razy łatwiejsze do wykrycia niż przy użyciu techniki gwiazdy referencyjnej, na której astronomowie polegali od dwóch dekad, wynika z pracy opublikowanej w Nature, prowadzonej przez Rodrigo Ferrer-Chaveza z Northwestern University. Archiwum Webba może już zawierać światy, których nikt dotąd nie dostrzegł, a przyszłe teleskopy budowane po to, by sfotografować bliźniaka Ziemi, być może nie będą musiały zachowywać aż tak niezwykłej stabilności.

Odzyskaną planetą jest 51 Eridani b, młody gazowy olbrzym oddalony o około 96 lat świetlnych, którego teleskopy naziemne po raz pierwszy sfotografowały mniej więcej dekadę temu. Nowością jest długość fali. Metoda, nazwana FLIP, skrót od Physics-based Learning for Imaging Planets, uchwyciła planetę przy 4,3 mikrometra, gdzie dwutlenek węgla w jej atmosferze silnie pochłania promieniowanie i gdzie wcześniejsza analiza dokładnie tych samych danych Webba nie wykazała niczego.

Polecana lekturaPlaneta z lawy, która powinna być nagą skałą, odbija 74% światła swojej gwiazdy

Dlaczego planeta może kryć się na widoku

Nawet najjaśniejsze młode olbrzymie planety są w bliskiej podczerwieni około 100 000 razy słabsze od swoich gwiazd, zauważają autorzy pracy. Aby je dostrzec, kamera NIRCam Webba wykorzystuje koronograf, czyli maskę blokującą tarczę gwiazdy. Część światła wciąż jednak przedostaje się wokół niej i rozprasza w nakrapianej mgiełce, która często jest jaśniejsza niż każda planeta znajdująca się w jej obrębie.

Zwykłym rozwiązaniem jest odejmowanie obrazu. Astronomowie fotografują drugą gwiazdę, traktują jej obraz jako wzorzec blasku i odejmują go od obrazu celu. „Przez ostatnie 20 lat astronomowie radzili sobie z tym problemem, obserwując inną gwiazdę i wykorzystując jej obraz jako odniesienie”, mówi Jason Wang, adiunkt fizyki i astronomii na Northwestern University oraz współautor badania.

Słabość tej metody polega na tym, że teleskop nigdy nie pozostaje idealnie nieruchomy między dwoma ujęciami. „Niewielkie zmiany termiczne mogą sprawić, że lustro rozszerzy się lub skurczy o pikometr”, mówi Wang, dodając, że silniki w krioczynnnikach chłodzących Webba mogą wprawiać lustra w drgania. Każda taka zmiana modyfikuje wzór blasku, dlatego wzorzec nigdy nie pasuje idealnie, a pozostałość po odjęciu może zasłonić słabą planetę.

Jak to zrobiono

Zamiast zapożyczać blask od innej gwiazdy, FLIP go wylicza. Zespół zaczął od STPSF, standardowego modelu optycznego Webba utrzymywanego przez Space Telescope Science Institute, i odtworzył go w PyTorch, bibliotece programistycznej stworzonej do trenowania sieci neuronowych. Dzięki temu cały model stał się różniczkowalny: oprogramowanie może ustalić, jak każdy parametr wpływa na końcowy obraz, i dostosować je wszystkie jednocześnie.

Model ma cztery grupy swobodnych parametrów. Obejmują one jasność gwiazdy i jej dokładne położenie za maską, zniekształcenia światła przed maską, zniekształcenia po niej oraz odpowiedź każdego piksela detektora. Łącznie optymalizacja dostraja około miliona parametrów, a jedno uruchomienie trwa około 35 minut na pojedynczej karcie graficznej NVIDIA A30.

Model jest najpierw kalibrowany na gwieździe referencyjnej, dzięki czemu rozpoczyna pracę blisko właściwego rozwiązania, a następnie dostrajany na samym obrazie naukowym, aby uwzględnić wszystko, co teleskop zmienił w międzyczasie. „Wykorzystaliśmy te same narzędzia obliczeniowe, których badacze używają do trenowania modeli AI, ale w rzeczywistości nie użyliśmy AI”, mówi Wang. „Ponieważ znamy już fizykę, nie potrzebujemy AI, by zrozumieć, co się dzieje”.

Oczywiste ryzyko polega na tym, że elastyczny model nauczy się usuwać planetę razem z blaskiem. Aby temu zapobiec, zespół umieszczał sztuczne planety w każdym obrazie i śledził, jak wyraźnie się odznaczają podczas optymalizacji, zatrzymując ją, gdy ich sygnał osiągał maksimum lub przestawał rosnąć. Te same umieszczone planety mierzą również, jak dużą część rzeczywistego sygnału usuwa metoda.

Piętnaście razy lepiej, ale nie wszędzie

Zespół przetestował FLIP na trzech opublikowanych zestawach danych Webba. Dwa dotyczyły gwiazd docelowych ze znanymi planetami, HIP 65426 i 51 Eridani. Trzeci, TYC 5899, nie ma znanych towarzyszy i został zaobserwowany cztery miesiące po swoich gwiazdach referencyjnych, co stanowi długą przerwę, podczas której optyka teleskopu zauważalnie się przesunęła.

W przypadku HIP 65426 b, pierwszej egzoplanety bezpośrednio zobrazowanej przez Webba, sygnał okazał się około 1,6 raza silniejszy niż przy standardowej metodzie znanej jako KLIP. Dla 51 Eridani b, przy nieco krótszej długości fali, był 2,1 raza silniejszy. Przy 4,3 mikrometra planeta pojawiła się ze stosunkiem sygnału do szumu wynoszącym 6,3, przekraczając próg pięciu sigm wymagany do uznania detekcji tam, gdzie pierwotna analiza nie dostrzegła niczego.

Największą poprawę odnotowano dla TYC 5899, czyli zestawu danych z dryfem. W tym przypadku FLIP mógł wykryć planety około 15 razy słabsze niż KLIP w odległości pół sekundy łuku od gwiazdy oraz około pięć razy słabsze w odległości jednej sekundy łuku. Sekunda łuku to w przybliżeniu szerokość monety oglądanej z odległości około pięciu kilometrów.

Ten przypadek ma największe znaczenie dla odkryć. Wiele przeglądów prowadzonych przez Webba wykorzystuje jako gwiazdy referencyjne inne cele obserwowane w odstępie tygodni lub miesięcy, a praca wylicza ponad 100 obserwacji wykonanych w ten sposób, w tym programy GO 5835 i SURVEY 6005. Wszystkie mogłyby zostać przetworzone ponownie.

Znaczenie ma również długość fali. Dwutlenek węgla silnie pochłania promieniowanie przy 4,3 mikrometra, co przyciemnia planetę, ale ujawnia, jak bogata w ciężkie pierwiastki jest jej atmosfera, a ziemska atmosfera blokuje to światło, więc żaden teleskop naziemny nie może go mierzyć. Wcześniejsze badania sugerowały, że 51 Eridani b ma około pięciokrotnie większy udział ciężkich pierwiastków niż jej gwiazda; nowy obraz daje sposób, by to sprawdzić.

Czego metoda nie rozstrzyga

FLIP nie odkrył nowej planety. Wszystkie trzy planety, które wykrył, były już znane, a sztuczne planety umieszczone w danych TYC 5899 pokazują, co metoda mogłaby znaleźć, a nie to, co faktycznie znalazła. Pierwsze prawdziwe odkrycie, jeśli do niego dojdzie, będzie musiało przetrwać niezależne weryfikacje.

Metoda nie osiąga też jeszcze własnego pułapu. Doskonały model fizyczny osiągnąłby granicę szumu fotonowego, czyli poziom wyznaczany przez losowe docieranie samego światła. FLIP zbliża się do niej znacznie bardziej niż KLIP, lecz nie osiąga jej w żadnej z obserwacji. Autorzy dodają, że ich model nie potrafi jeszcze podać wraz z przedziałami błędów, o ile faktycznie przesunął się teleskop, a jasna pobliska gwiazda w polu TYC 5899 przetrwała odejmowanie w zniekształconej postaci.

Testy obejmują też tylko jeden instrument, NIRCam Webba, z dwoma rodzajami koronografów i kilkoma filtrami. Teleskopy naziemne, dysponujące znacznie większymi ilościami danych i obserwujące przez turbulentną atmosferę, stanowią trudniejszy problem, którym FLIP jeszcze się nie zajął.

Dlaczego przyszły teleskop powinien się tym przejmować

Proponowane przez NASA Obserwatorium Światów Zdatnych do Zamieszkania, Habitable Worlds Observatory, ma fotografować planety podobne do Ziemi wokół gwiazd podobnych do Słońca, planety około dziesięć miliardów razy słabsze od swojej gwiazdy. Jak podaje praca, przy dzisiejszym podejściu taki teleskop musi utrzymywać optykę stabilną na poziomie pikometrów, czyli od 100 do 1000 razy stabilniej niż Webb, a wymóg ten przesądza o znacznej części trudności misji.

Jeśli oprogramowanie potrafi korygować dryf zamiast eliminować go na etapie inżynierii, część tego obciążenia znika. „Nie znamy planet wokół innych gwiazd, które byłyby podobne do tych w naszym Układzie Słonecznym”, mówi Ferrer-Chavez. „Nie dlatego, że nie istnieją. Po prostu nie możemy ich zobaczyć”.

Najczęstsze pytania o Webba i obrazowanie egzoplanet

Jak teleskop Jamesa Webba fotografuje egzoplanety?

Webb blokuje światło gwiazdy koronografem, czyli maską wewnątrz swoich instrumentów NIRCam i MIRI, a następnie usuwa pozostały blask za pomocą oprogramowania. To, co pozostaje, może pokazać planetę jako słaby punkt światła. Metoda najlepiej działa w przypadku młodych, gorących gazowych olbrzymów daleko od swoich gwiazd, które wciąż świecą w podczerwieni.

Czym jest 51 Eridani b?

To młody gazowy olbrzym krążący wokół gwiazdy 51 Eridani, około 96 lat świetlnych od Ziemi w gwiazdozbiorze Erydanu. Układ ma około 20 milionów lat, dlatego planeta wciąż świeci ciepłem pozostałym po jej formowaniu. Odkryto ją za pomocą Gemini Planet Imager, instrumentu naziemnego, a odkrycie ogłoszono w 2015 roku.

Czy FLIP wykorzystał sztuczną inteligencję?

Nie w znaczeniu wytrenowanej sieci neuronowej. Metoda zapożycza narzędzia optymalizacyjne stosowane do trenowania modeli AI, w tym bibliotekę PyTorch i optymalizator Adam, lecz sam model zbudowano na podstawie znanej fizyki teleskopu.

Czy może to pomóc w znalezieniu planety podobnej do Ziemi?

Nie bezpośrednio za pomocą Webba, ale może ułatwić budowę przyszłych teleskopów. Habitable Worlds Observatory, którego start planowany jest na lata 40. XXI wieku, musi być niezwykle stabilne, by obrazować bliźniaki Ziemi, a oprogramowanie korygujące niestabilności mogłoby złagodzić ten wymóg, przekonują autorzy.

Co dalej

Badanie opublikowano w Nature 4 listopada 2026 roku. Zespół wykorzysta nową detekcję przy 4,3 mikrometra, aby zmierzyć jasność planety przy tej długości fali i ponownie przeanalizować jej atmosferę, a także chce rozszerzyć FLIP na MIRI, średniopodczerwony instrument Webba, oraz na należący do NASA Nancy Grace Roman Space Telescope. Ponieważ misja Gaia ma ujawnić tysiące olbrzymich planet na szerokich orbitach, nie zabraknie celów dla bardziej przenikliwego oka.

Źródło: Ferrer-Chavez et al., „Imaging exoplanets below the telescope stability limit,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11213-z

Tagi: astronomia, James Webb Space Telescope, egzoplanety, 51 Eridani b, NIRCam, Northwestern University

Więcej podobnych

JWST odkrywa: wczesne galaktyki kryją czterokrotnie więcej masy, niż dotąd mierzono

Teleskop Webba zmapował 164 000 galaktyk i odsłonił sieć kosmiczną młodego wszechświata

James Webb znalazł planetę, na której skalne chmury powstają rano i znikają nocą

1775°C dzieli świt od zmierzchu na tej obcej planecie — JWST po raz pierwszy zmapował przyczynę

Powstawanie planet zapowiadało mnóstwo małych obiektów w Pasie Kuipera — Webb znalazł ich mniej

Webb zobaczył, jak chmury wodne gęstnieją i rzedną na świecie odległym o 7,4 roku świetlnego