В сочельный вечер 2021 года мы всей семьёй затаив дыхание следили за впечатляющим стартом космического телескопа Джеймса Уэбба, стоимость которого составила 10 млрд $ (15 млрд A$). Со времени вывода в космос «Хаббла» в 1990 году подобного технологического рывка не наблюдалось.
При подготовке к развёртыванию «Уэбб» ему предстояло преодолеть 344 возможных сбоя. К счастью, процедура старта прошла с запасом прочности, превзойдя прогнозы, и мы с облегчением выдохнули.
Через полгода появились первые кадры от «Уэбба», продемонстрировавшие самые отдалённые галактики в истории наблюдений. Для австралийской группы исследователей это был лишь старт.
Наша цель — задействовать апертурный маскировочный интерферометр (Aperture Masking Interferometer, AMI), наиболее высокоразрешающий режим «Уэбб». Этот миниатюрный элемент из тщательно обработанного металла устанавливается в оптическую систему одной из камер, значительно улучшая детализацию.
Отчёт о наших детальных тестах и доработках AMI опубликован в открытом доступе на arXiv в виде двух статей. Теперь мы готовы представить первые удачные наблюдения звёзд, экзопланет, лун и даже струй, исходящих из чёрных дыр.
Управление инструментом на расстоянии свыше миллиона километров
По факту «Хаббл» сначала давал слегка размытое изображение – его зеркало отполировали точно, но по неверной конфигурации. Изучая снимки звёзд с известными характеристиками и сопоставляя их с идеальной картиной (подобно офтальмологам), учёные вывели «корректирующую формулу» и создали компенсационную оптику.
В 1993 году семеро астронавтов на борту шаттла «Индевор» установили корректирующие линзы. Поскольку «Хаббл» орбитирует всего в нескольких сотнях километров над Землёй, до него можно добраться напрямую.
«Уэбб» удалён на около 1,5 млн км, и поэтому мы не можем туда отправиться – все неисправности нужно устранять дистанционно, без возможности замены узлов.
Здесь на сцену выходит AMI – единственный австралийский прибор на борту, разработанный астрофизиком Питером Тутилом.
AMI служит для диагностики и количественной оценки смазывания кадра. Даже нановолновые дефекты на 18 шестиугольных сегментах основного зеркала «Уэбба» или на внутренних оптических поверхностях способны исказить снимки настолько, что изучение экзопланет или чёрных дыр окажется затруднено из-за недостатка разрешения.
При помощи продуманной схемы отверстий в металлической пластине AMI фильтрует лучи, упрощая выявление оптических зазорных ошибок.
Диагностика размытых пикселей
Планировалось применить этот режим для изучения мест формирования планет и аккреционных потоков чёрных дыр. Однако AMI вскрыл, что «Уэбб» выдаёт результаты ниже прогнозных.
На пиксельном уровне при высоком разрешении снимки оказались слегка расплывчатыми: интенсивность ярких пикселей «утекала» в соседние, более тёмные, из-за электронных перекрёстных помех.
Это не брак оборудования, а неизбежная характеристика инфракрасных сенсоров, которая для «Уэбба» обернулась серьёзным препятствием.
Данный эффект мешал регистрировать экзопланеты, чья яркость уступает светимости звезды в тысячи раз и находятся в нескольких пикселях от неё. Коллеги оперативно продемонстрировали, что реальная чувствительность была свыше десятикратно ниже заявленной.
Эту проблему следовало устранить.
Методы повышения чёткости «Уэбба»
В свежем докладе, возглавляемом аспирантом Сиднейского университета Луи Десдойгтом, мы применили AMI для анализа звёзд и одновременного корректирования как оптических, так и электронных искажений.
Была разработана компьютерная симуляция, воспроизводящая оптические процессы в AMI с учётом вариаций формы зеркал, апертур и спектральных характеристик звёзд.
Эту симуляцию мы связали с нейросетевой моделью, создающей «эффективную модель детектора», сосредоточенную исключительно на качестве воспроизведения фактических данных.
Произведя обучение на ряде контрольных звёзд и верификацию результатов, мы смогли вычислить и компенсировать размытие в последующих наблюдениях, полностью восстановив потенциал AMI. При этом физически «Уэбб» не меняется – корректировка вносится уже при обработке информации.
Результат превзошёл ожидания: у HD 206893 были обнаружены экзопланета и наиболее красный из известных коричневых карликов. Ранее «Уэббу» эти объекты не удавалось разглядеть, а после нашей коррекции они чётко выделяются на картах.
Внедрение этой методики сделало AMI инструментом для обнаружения новых экзопланет с ранее недостижимыми разрешением и чувствительностью.
Предельное разрешение для сложных объектов
В сопутствующей работе докторанта Макса Чарльза мы расширили применение методики за пределы точечных источников, применив её для реконструкции сложных изображений максимального разрешения. Мы вернулись к известным объектам, проверяя тем самым предельную производительность телескопа.
Благодаря обновлённому алгоритму мы смогли детально отследить вулканическую активность Ио, фиксируя её изменение в ходе часового наблюдения.
Кадр струи из чёрной дыры в ядре галактики NGC 1068 демонстрирует полное соответствие данным наземных мегателескопов.
Кроме того, AMI отчётливо визуализирует пылевую спираль вокруг двойной системы WR 137, аналогичной знаменитой Апоп, что подтверждает теоретические модели.
Разработанный код демонстрирует методы, применимые к более сложным камерам «Уэбба» и к его преемнику — космическому телескопу Нэнси Роман. Для этих инструментов требуется оптическая калибровка на уровне долей нанометра, что превосходит физические пределы большинства материалов.
Наша работа подтверждает: измеряя, контролируя и корректируя свойства используемых материалов, мы сохраняем шанс обнаружить землеподобные планеты в отдалённых уголках Млечного Пути.
