После рождественского ужина в 2021 году наша семья прилипла к телевизору, наблюдая за захватывающим запуском космического телескопа Джеймса Уэбба стоимостью 10 миллиардов долларов США (15 миллиардов австралийских долларов). С момента запуска телескопа Хаббл в 1990 году в области телескопической технологии не было такого прорыва.
На пути к своему развёртыванию Уэбб должен был успешно обойти 344 потенциальных точки отказа. К счастью, запуск прошёл лучше, чем ожидалось, и мы наконец-то смогли вздохнуть с облегчением.
Шесть месяцев спустя были обнародованы первые изображения «Уэбба», на которых были запечатлены самые далёкие из когда-либо наблюдавшихся галактик. Однако для нашей команды в Австралии работа только начиналась.
Мы собирались использовать режим «Уэбба» с самым высоким разрешением, называемый интерферометром с маскирующей апертурой [aperture masking interferometer], или сокращённо AMI. Это крошечный кусочек точно обработанного металла, который вставляется в одну из камер телескопа, повышая её разрешение.
Результаты наших кропотливых испытаний и усовершенствований AMI теперь опубликованы в открытом доступе в архиве arXiv в виде двух статей. Наконец-то мы можем представить первые успешные наблюдения звёзд, планет, лун и даже джетов чёрных дыр.
Работа с прибором, находящимся за миллион километров
В начале своей работы «Хаббл» видел нечётко — его зеркало было отшлифовано точно, но по неправильной схеме. Наблюдая за известными звёздами и сравнивая идеальные и измеренные изображения (точно так же, как это делают окулисты), удалось вычислить «рецепт» для этой оптической ошибки и разработать линзу, компенсирующую её.
Для коррекции в 1993 году семь астронавтов полетели на космическом челноке «Индевор», чтобы установить новую оптику. Хаббл вращается вокруг Земли на высоте всего нескольких сотен километров над поверхностью, и астронавты могут до него добраться.
В отличие от него, «Уэбб» находится примерно в 1,5 миллионах километров от нас — мы не можем посетить его и обслужить, и нам нужно иметь возможность устранять проблемы без замены какого-либо оборудования.
Именно здесь на помощь приходит AMI. Это единственное австралийское оборудование на борту, разработанное астрономом Питером Тутилом.
Оно было установлено на «Уэббе» для диагностики и измерения любого размытия изображений. Даже нанометровые искажения в 18 шестиугольных главных зеркалах «Уэбба» и многих внутренних поверхностях могут размыть изображения настолько, что это помешает изучению планет или чёрных дыр, где чувствительность и разрешение имеют ключевое значение.
AMI фильтрует свет с помощью тщательно структурированного узора отверстий в простой металлической пластине, что упрощает поиск оптических несоосностей.
В поисках размытых пикселей
Мы хотели использовать этот режим для наблюдения за местами рождения планет, а также за материей, всасываемой чёрными дырами. Но прежде чем это произошло, AMI показал, что «Уэбб» не работает так, как ожидалось.
При очень высоком разрешении — на уровне отдельных пикселей — все изображения были слегка размыты из-за электронного эффекта: более яркие пиксели просачивались в более тёмные соседние пиксели.
Это не ошибка и не недостаток, а фундаментальная особенность инфракрасных камер, которая оказалась неожиданно серьёзной для «Уэбба».
Это было препятствием для наблюдения далёких планет, которые в тысячи раз слабее своих звёзд, расположенных в нескольких пикселях: мои коллеги быстро показали, что его ограничения были более чем в десять раз хуже, чем ожидалось.
Поэтому мы решили исправить это.
Как мы улучшили зрение «Уэбба»
В новой статье под руководством аспиранта Сиднейского университета Луи Десдоигта мы изучили звёзды с помощью AMI, чтобы одновременно изучить и исправить оптические и электронные искажения.
Мы создали компьютерную модель для симуляции оптической физики AMI с гибкостью в отношении форм зеркал и апертур, а также цветов звёзд.
Мы подключили её к модели машинного обучения, чтобы представить электронику с помощью «эффективной модели детектора», где нас интересует только то, насколько хорошо она может воспроизводить данные.
После обучения и проверки на нескольких тестовых звёздах эта настройка позволила нам рассчитать и устранить размытие в других данных, восстановив полную функциональность AMI. Это не меняет работу «Уэбба» в космосе полностью — скорее, корректирует данные во время обработки.
Это сработало прекрасно — у звезды HD 206893 есть слабо видимая планета и самый красный из известных коричневых карликов (объект между звездой и планетой). Они были известны, но недоступны для «Уэбба» до применения этой коррекции. Теперь обе маленькие точки чётко выделяются на наших новых картах системы.
Эта корректировка открыла возможность использования AMI для поиска неизвестных планет с ранее недостижимым разрешением и чувствительностью.
Это работает не только с точками
В сопутствующей статье докторанта Сиднейского университета Макса Чарльза мы применили это не только к точкам — даже если эти точки являются планетами — но и к формированию сложных изображений с максимальным разрешением, созданных с помощью «Уэбба». Мы вернулись к хорошо изученным целям, которые раздвигают границы возможностей телескопа, тестируя его производительность.
С помощью новой корректировки мы сфокусировались на луне Юпитера Ио, чётко отслеживая её вулканы по мере её вращения в течение часового интервала.
Как видно на снимке AMI, струя, выпущенная из чёрной дыры в центре галактики NGC 1068, в точности соответствует изображениям, полученным с помощью гораздо более крупных телескопов.
Наконец, AMI может чётко разрешить ленту пыли вокруг пары звёзд под названием WR 137, бледного родственника впечатляющей системы Апоп, что соответствует теории.
Джет чёрной дыры в галактике NGC 1068. Первое изображение (фиолетовое) получено с наземного интерферометра Large Binocular Telescope Interferometer, а второе — это тот же джет в ложных цветах, как её видит AMI с «Уэбба»
Код, созданный для AMI, является демонстрацией кодов гораздо более сложных камер на «Уэбба» и его последователе, космическом телескопе Нэнси Роман. Эти инструменты требуют такой точной оптической калибровки, что она составляет лишь долю нанометра — что превышает возможности любых известных материалов.
Наша работа показывает, что если мы сможем измерить, контролировать и корректировать материалы, с которыми мы работаем, мы всё ещё можем надеяться найти планеты, похожие на Землю, в дальних уголках нашей галактики.