Цифровой двойник телескопа «Джеймс Уэбб» позволяет видеть планеты до 15 раз тусклее

Камеры «Уэбба» уже засняли эту планету. Она находилась на снимках молодой близлежащей звезды, скрытая под пеленой остаточного звёздного света, и стандартный метод очистки таких изображений не позволял её извлечь. Новая техника, воссоздающая космический телескоп «Джеймс Уэбб» в программном обеспечении, а затем вычитающая блики, предсказанные этой виртуальной копией, теперь сделала её видимой.

Выигрыш значителен. Применительно к существующим наблюдениям «Уэбба» метод позволил обнаруживать тусклые планеты в два–пятнадцать раз легче, чем эталонная методика, на которую астрономы полагались два десятилетия, согласно статье в Nature под руководством Родриго Феррера-Чавеса (Rodrigo Ferrer-Chavez) из Северо-Западного университета. В архиве «Уэбба» уже могут находиться миры, которых никто не видел, а будущим телескопам, предназначенным для фотографирования двойника Земли, возможно, не потребуется столь экстраординарная стабильность.

Обнаруженная планета — 51 Eridani b, молодой газовый гигант на расстоянии около 96 световых лет, который наземные телескопы впервые сфотографировали примерно десять лет назад. Новизна — в длине волны. Метод, названный FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets), зафиксировал планету на 4,3 микрона — там, где углекислый газ в её атмосфере сильно поглощает излучение и где более ранний анализ тех же самых данных «Уэбба» не дал результата.

Рекомендуем прочитатьJWST обнаружил в древних галактиках вчетверо больше массы, скрытой в малых звёздах

Почему планета может быть не видна, находясь на виду

Даже самые яркие молодые планеты-гиганты примерно в 100 000 раз тусклее своих звёзд в ближнем инфракрасном диапазоне, отмечается в статье. Чтобы их увидеть, камера NIRCam «Уэбба» использует коронограф — маску, блокирующую диск звезды. Часть света всё же просачивается вокруг неё и распространяется в виде пятнистой дымки, и эта дымка часто ярче любой планеты, находящейся внутри неё.

Обычное решение — вычитание. Астрономы фотографируют другую звезду, обрабатывают это изображение как шаблон бликов и вычитают его из целевого снимка. «Последние 20 лет астрономы решали эту проблему, наблюдая другую звезду и используя её изображение в качестве эталона», — говорит Джейсон Ван (Jason Wang), доцент кафедры физики и астрономии Северо-Западного университета и соавтор исследования.

Слабость в том, что телескоп никогда не остаётся идеально неподвижным между двумя снимками. «Небольшие тепловые изменения могут заставить зеркало расшириться или сжаться на пикометр», — говорит Ван, добавив, что двигатели криокулеров «Уэбба» могут вызывать вибрацию зеркал. Каждое изменение меняет картину бликов, поэтому шаблон никогда не совпадает идеально, и остаток может скрыть тусклую планету.

Как это сделали

Вместо того чтобы заимствовать блики от другой звезды, FLIP вычисляет их. Команда начала с STPSF — стандартной оптической модели «Уэбба», поддерживаемой Научным институтом космического телескопа, и перестроила её в PyTorch — библиотеке программирования, предназначенной для обучения нейросетей. Это сделало всю модель дифференцируемой: программное обеспечение может вычислить, как каждый параметр влияет на конечное изображение, и скорректировать их все одновременно.

Модель имеет четыре группы свободных параметров. Они охватывают яркость звезды и её точное положение за маской, искажения света до маски, искажения после неё и отклик каждого пикселя детектора. В общей сложности оптимизация настраивает около миллиона параметров, и один прогон занимает примерно 35 минут на одной видеокарте NVIDIA A30.

Сначала модель калибруется на эталонной звезде, чтобы она стартовала близко к правильному ответу, а затем настраивается на самом научном изображении, чтобы учесть всё, что изменилось в телескопе за это время. «Мы использовали те же вычислительные инструменты, которые исследователи применяют для обучения моделей ИИ, но на самом деле мы не использовали ИИ», — говорит Ван. «Поскольку мы уже знаем физику, нам не нужен ИИ, чтобы понять, что происходит».

Очевидный риск заключается в том, что гибкая модель научится стирать планету вместе с бликами. Чтобы этого избежать, команда помещала в каждое изображение искусственные планеты и отслеживала, насколько чётко они выделялись по ходу оптимизации, останавливая её, как только их сигнал достигал пика или выходил на плато. Те же искусственные планеты также позволяют измерить, сколько реального сигнала удаляет метод.

В пятнадцать раз лучше, но не везде

Команда протестировала FLIP на трёх опубликованных наборах данных «Уэбба». Два — целевые звёзды с известными планетами: HIP 65426 и 51 Eridani. Третий — TYC 5899, у которой нет известных компаньонов и которая наблюдалась через четыре месяца после своих эталонных звёзд — большой разрыв, за который оптика телескопа заметно сместилась.

Для HIP 65426 b — первой экзопланеты, напрямую сфотографированной «Уэббом», — сигнал оказался примерно в 1,6 раза сильнее, чем при стандартном методе, известном как KLIP. Для 51 Eridani b на немного более короткой длине волны он был в 2,1 раза сильнее. На 4,3 микрона планета появилась с отношением сигнал/шум 6,3, превысив порог в пять сигма для обнаружения, тогда как первоначальный анализ не увидел ничего.

Наибольшее улучшение было достигнуто на TYC 5899 — наборе данных с дрейфом. Там FLIP смог обнаружить планеты примерно в 15 раз более тусклые, чем KLIP, на расстоянии половины угловой секунды от звезды, и примерно в пять раз более тусклые на расстоянии одной угловой секунды. Угловая секунда — это примерно ширина монеты, видимой с расстояния около пяти километров.

Этот случай наиболее важен для открытий. Многие обзоры «Уэбба» используют в качестве эталонных звёзд другие объекты, наблюдаемые с интервалом в недели или месяцы, и в статье насчитывается более 100 наблюдений, выполненных таким образом, включая программы GO 5835 и SURVEY 6005. Все они могут быть обработаны заново.

Длина волны тоже имеет значение. Углекислый газ сильно поглощает на 4,3 микрона, что делает планету более тусклой, но показывает, насколько её атмосфера богата тяжёлыми элементами; атмосфера Земли блокирует этот свет, поэтому ни один наземный телескоп не может его измерить. Более ранние работы предполагали, что 51 Eridani b содержит примерно в пять раз больше тяжёлых элементов, чем её звезда; новое изображение даёт способ проверить это.

Что метод не решает

FLIP не открыл новую планету. Все три планеты, которые он обнаружил, были уже известны, а искусственные планеты, помещённые в данные TYC 5899, показывают, что метод мог бы найти, а не то, что он уже нашёл. Первое настоящее открытие, если оно последует, должно будет пройти независимые проверки.

Метод также не достиг своего собственного потолка. Идеальная физическая модель достигла бы предела фотонного шума — минимального уровня, задаваемого случайным прибытием самого света. FLIP подходит к нему гораздо ближе, чем KLIP, но не достигает его ни в одном из наблюдений. Авторы добавляют, что их модель пока не может с погрешностями сообщить, насколько на самом деле сместился телескоп, и что яркая соседняя звезда в поле TYC 5899 пережила вычитание в искажённой форме.

Тесты также охватывают только один инструмент — NIRCam «Уэбба» — с двумя типами коронографов и несколькими фильтрами. Наземные телескопы с гораздо большими объёмами данных и турбулентной атмосферой представляют собой более сложную задачу, которую FLIP пока не решал.

Почему это важно для будущего телескопа

Предлагаемая NASA Обсерватория обитаемых миров (Habitable Worlds Observatory) предназначена для фотографирования землеподобных планет у солнцеподобных звёзд — планет, которые примерно в десять миллиардов раз тусклее своей звезды. При современном подходе, говорится в статье, такой телескоп должен удерживать свою оптику стабильной на уровне пикометров — в 100–1000 раз стабильнее «Уэбба», и это требование составляет основную сложность миссии.

Если программное обеспечение может корректировать дрейф вместо того, чтобы устранять его инженерными методами, часть этого бремени снимается. «Мы не знаем ни одной планеты у других звёзд, похожей на планеты нашей Солнечной системы», — говорит Феррер-Чавес. «Дело не в том, что их не существует. Дело в том, что мы не можем их увидеть».

Часто задаваемые вопросы о «Уэббе» и фотографировании экзопланет

Как телескоп «Джеймс Уэбб» фотографирует экзопланеты?

«Уэбб» блокирует свет звезды коронографом — маской внутри своих инструментов NIRCam и MIRI, — а затем удаляет остаточные блики с помощью программного обеспечения. То, что остаётся, может показать планету в виде тусклой точки света. Этот метод лучше всего работает для молодых горячих планет-гигантов, находящихся далеко от своих звёзд, которые всё ещё светятся в инфракрасном диапазоне.

Что такое 51 Eridani b?

Это молодой газовый гигант, вращающийся вокруг звезды 51 Эридана, находящейся примерно в 96 световых годах от Земли в созвездии Эридана. Возраст системы — около 20 миллионов лет, поэтому планета всё ещё излучает тепло, оставшееся от её формирования. Она была открыта с помощью наземного инструмента Gemini Planet Imager, и объявление об открытии было сделано в 2015 году.

Использовал ли FLIP искусственный интеллект?

Не в смысле обученной нейронной сети. Он заимствует инструменты оптимизации, используемые для обучения моделей ИИ, включая библиотеку PyTorch и оптимизатор Adam, но сама модель построена на известной физике телескопа.

Может ли это помочь найти землеподобную планету?

Не напрямую с помощью «Уэбба», но это может упростить создание будущих телескопов. Обсерватория обитаемых миров, запуск которой запланирован на 2040-е годы, должна быть чрезвычайно стабильной для получения изображений двойников Земли, и программное обеспечение, корректирующее нестабильности, могло бы смягчить это требование, утверждают авторы.

Что дальше

Исследование было опубликовано в Nature 4 ноября 2026 года. Команда использует новое обнаружение на 4,3 микрона для измерения яркости планеты на этой длине волны и повторного анализа её атмосферы, а также планирует расширить FLIP на MIRI — среднеинфракрасный инструмент «Уэбба» — и на космический телескоп NASA Nancy Grace Roman. Поскольку миссия Gaia, как ожидается, откроет тысячи планет-гигантов на широких орбитах, недостатка в целях для более острого зрения не будет.

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

Теги: астрономия, James Webb Space Telescope, экзопланеты, 51 Eridani b, NIRCam, Northwestern University

Похожее

Лавовая планета, которая должна быть голым камнем, отражает 74% света своей звезды

Разрыв в 1775 °C между рассветом и закатом одной экзопланеты — телескоп Джеймса Уэбба впервые объяснил почему

«Джеймс Уэбб» нашёл планету, где облака из камня появляются утром и исчезают к ночи

«Джеймс Уэбб» увидел, как водяные облака густеют и редеют на мире в 7,4 светового года

Телескопы Уэбб и Хаббл нашли меньше малых объектов в поясе Койпера, чем предсказывали модели

«Уэбб» нашёл галактику в несколько раз массивнее Млечного Пути, которая почти не вращается