Mjukvara fördubblar James Webbs förmåga att direkt avbilda exoplaneter
FLIP-modellen bygger fysisk modell av teleskopet och låter bruset ta bort sig självt, en planet dyker upp i redan tagna bilder
Bilder
Photo of John Timmer
arstechnica.com
Forskare har lyckats extrahera kända exoplaneter ur data från rymdteleskopet James Webb med upp till dubbla signal-brus-kvot, och det utan ny hårdvara — endast med mjukvara. Programvarupaketet, som forskarna kallar FLIP (Physics-based Learning for Imaging Planets), bygger en fysisk modell av teleskopet och finjusterar den mot verkligt stjärnljus tills det brus som annars begravr planeterna till stor del tar ut sig självt. Hinder är i grund och botten ren aritmetik: en stjärna är many gånger ljusstarkare än det ljus som dess planeter sänder mot oss. Därför har de flesta av de tusentals exoplaneter som hittills katalogiserats upptäckts indirekt, genom ljusstyrkans nedgång när en planet passerar framför sin stjärna — inte genom att faktiskt ses.
Teleskop använder koragrafer, masker som blockerar stjärnans ljus så att planeter i närheten blir synliga. Deras effektivitet stöter dock på en vägg av brus från subtila variationer i teleskopets konfiguration och riktning mellan observationer. En punkt av ljussken avbildas aldrig som en punkt; brister i hårdvaran och begränsningar i riktningen smetar ut den till en fläck, matematiskt beskriven som punktutspridningsfunktionen. Två standardlösningar finns. Den ena observerar ett känt objekt och härleder funktionen från verkliga data — effektivt, men hårdvarans beteende förändras över tid och funktionen varierar med den våglängd som avbildas. Den andra modellerar hårdvaran utifrån tekniska ritningar, men moderna teleskop är så komplexa att modellerna innehåller för många parametrar för att kunna justeras.
Genombrottet kom från forskningen kring artificiell intelligens, som i åratal finjusterat neurala nätverk med miljarder parametrar genom gradientnedstigning, kraftigt optimerat för grafikkort. FLIP tillämpar samma maskineri på en fysisk modell av Webbs NIRCam-instrument, utgående från en simulerad punktutspridningsfunktion, optimerar mot data från en verklig stjärna och finjusterar därefter på det vetenskapliga bildmaterialet självt — ett nödvändigt sista steg, eftersom vissa variabler skiljer sig mellan observationer. Optimeringen körs på ett nutida grafikkort på drygt en halvtimme.
Forskarteamet testade metoden på tre unga stjärnor: HIP 65426 och 51 Eridani, vars massiva, fortfarande varma planeter tidigare avbildats, samt TYC 5899, som saknar kända planeter men varierar kraftigt mellan observationer. Signal-brus-kvoten förbättrades med en faktor 1,5 till 2 beroende på data. Vid en våglängd som kan användas för att detektera koldioxid dök en av planeterna upp i data som teleskopet redan samlat in.