Під час різдвяної вечері 2021 року погляди мільйонів людей, затамувавши подих, були прикуті до телеекранів, спостерігаючи за напруженим запуском космічного телескопа Джеймса Вебба від NASA, вартістю 10 мільярдів доларів США. Це стало справжнім стрибком у розвитку телескопічних технологій, порівнянним лише з запуском легендарного телескопа Габбл у 1990 році. На шляху до розгортання Веббу довелося подолати 344 потенційні точки збою, що викликало неабияке хвилювання. На щастя, старт пройшов навіть краще, ніж очікувалося, дозволивши вченим і широкій публіці нарешті видихнути з полегшенням.
Через шість місяців були представлені перші світлини, зроблені Веббом – зображення найвіддаленіших галактик, які коли-небудь бачила людина. Однак для команди дослідників з Австралії справжня робота лише починалася. Їхньою метою було використання режиму найвищої роздільної здатності Вебба, відомого як інтерферометр апертурного маскування, або AMI. Цей прилад – невеликий шматок точно виготовленого металу – вставляється в одну з камер телескопа, значно підвищуючи її чіткість. Результати копітких випробувань та вдосконалення AMI нещодавно оприлюднені у двох статтях на відкритому архіві arXiv. Тепер науковці можуть представити перші успішні спостереження зірок, планет, супутників і навіть струменів чорних дір, виконані за допомогою оновленої системи.
Робота з приладом, що знаходиться за мільйон кілометрів
Варто нагадати, що телескоп Габбл, запущений у 1990 році, спочатку бачив нечітко – його дзеркало було відшліфоване точно, але неправильно. Шляхом вивчення відомих зірок та порівняння ідеальних і виміряних зображень (подібно до того, як працюють оптометристи), вдалося визначити “рецепт” для цієї оптичної помилки та розробити коригувальну лінзу. Для встановлення нової оптики у 1993 році сім астронавтів мусили здійснити політ на космічному шатлі “Індевор”. Габбл обертається навколо Землі лише за кілька сотень кілометрів над поверхнею, тому був доступний для відвідування астронавтами.
Натомість, Вебб розташований приблизно за 1 мільйон миль – 1,5 мільйона кілометрів – від Землі. Це унеможливлює його відвідування та обслуговування, тому будь-які проблеми необхідно усувати дистанційно, без зміни обладнання. Саме тут на допомогу приходить AMI. Це єдине австралійське обладнання на борту телескопа, розроблене видатним астрономом Пітером Тутіллом. Цей прилад був встановлений на Веббі для діагностики та вимірювання будь-якого розмиття зображень. Навіть нанометрові викривлення в 18 шестикутних головних дзеркалах Вебба та численних внутрішніх поверхнях можуть розмити світлини настільки, що це завадить вивченню планет або чорних дір, де чутливість та чіткість відіграють визначальну роль. AMI фільтрує світло за допомогою ретельно структурованого візерунка отворів у простій металевій пластині, що значно спрощує виявлення будь-яких оптичних невідповідностей.
У пошуках розмитих пікселів
Команда прагнула використовувати цей режим для спостереження за місцями зародження планет, а також за матеріалом, що поглинається чорними дірами. Проте, ще до початку цих спостережень, AMI показав, що Вебб працює не зовсім так, як очікувалося. На дуже високій роздільній здатності – на рівні окремих пікселів – усі зображення були дещо нечіткими через електронний ефект: яскраві пікселі витікали в темніші сусідні. Це не помилка чи вада, а фундаментальна особливість інфрачервоних камер, яка виявилася несподівано серйозною для Вебба. Це стало перешкодою для виявлення далеких планет, що у тисячі разів тьмяніші за свої зірки, розташовані лише за кілька пікселів. Колеги швидко довели, що обмеження були у десять разів гіршими, ніж сподівалися. Тож науковці взялися за корекцію цього недоліку.
Як вдалося відточити зір Вебба
У новій науковій роботі, очоленій аспірантом Сіднейського університету Луї Десдойгтсом, дослідники вивчили зірки за допомогою AMI, щоб одночасно виявити та виправити оптичні та електронні викривлення. Була створена комп’ютерна модель для симуляції оптичної фізики AMI, що дозволяє гнучко враховувати форми дзеркал, апертур та кольори зірок. Цю модель інтегрували з машинним навчанням для представлення електроніки за допомогою “ефективної моделі детектора”, де головне – наскільки добре вона може відтворювати дані, а не чому саме. Після навчання та перевірки на деяких тестових зірках, ця методика дозволила обчислити та усунути розмиття в інших даних, відновлюючи повну дієздатність AMI. Це не змінює роботу Вебба у космосі, а лише корегує дані під час обробки.
Методика спрацювала чудово – зірка HD 206893 є домом для тьмяної планети та найчервонішого відомого коричневого карлика – об’єкта між зіркою та планетою. Ці об’єкти були відомі, але недоступні для спостережень Вебба до застосування цієї корекції. Тепер обидві маленькі цятки чітко з’явилися на нових мапах системи. Це виправлення відкрило шлях для використання AMI у пошуках невідомих планет з раніше неможливими роздільними здатностями та чутливістю.
Робота не лише з точками
У супровідній статті, написаній аспірантом Сіднейського університету Максом Чарльзом, застосували цю методику для створення складних зображень найвищої роздільної здатності, отриманих Веббом, а не лише для спостереження окремих об’єктів. Були повторно досліджені добре вивчені цілі, що розширюють можливості космічного апарату, перевіряючи його ефективність.
З новою корекцією вдалося сфокусуватись на супутнику Юпітера Іо, відомому своєю інтенсивною вулканічною активністю, найактивнішим вулканічним тілом у Сонячній системі, чітко відстежуючи його вулкани під час годинної зйомки в прискореному режимі. Струмінь, що виривається з чорної діри в центрі галактики NGC 1068, також відомої як Мессьє 77 – спіральної галактики в сузір’ї Кита, яка славиться своїм активним галактичним ядром із надмасивною чорною дірою, – як видно з AMI, точно відповідав зображенням, отриманим значно більшими телескопами.
Нарешті, AMI дозволяє чітко розрізнити стрічку пилу навколо системи подвійних зірок WR 137, що є віддаленим родичем ефектної системи Апеп. WR 137 – це пара зірок типу Вольфа-Райє, що випускають потужні вітри, які, стикаючись, утворюють хитромудрі пилові структури, тоді як система Апеп – унікальна подвійна система Вольфа-Райє, яка створює химерну туманність. Нові спостереження узгоджуються з теоретичними передбаченнями.
Розроблений для AMI програмний код є демонстрацією можливостей для значно складніших камер Вебба та його наступника – космічного телескопа Роман. Космічний телескоп Роман – майбутня місія NASA, що має на меті дослідження темної енергії та екзопланет. Ці інструменти потребують настільки тонкого оптичного калібрування, що його точність вимірюється частками нанометра – за межами можливостей будь-яких відомих матеріалів. Робота команди показує, що, якщо вдасться вимірювати, контролювати та коригувати наявні матеріали, то все ще можна сподіватися знайти землеподібні планети у віддалених куточках нашої галактики.
