İki yıllık JWST verilerinden parlama giderme tekniği sayesinde dev gezegen ortaya çıktı

Dünyanın en güçlü teleskoplarının bile kör noktaları vardır. NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu (JWST) milyarlarca yıl geçmişe bakabilse de, yakın yıldızların yörüngesinde dönen gezegenleri fotoğraflamakta hâlâ zorlanıyor. Yıldızlar o kadar olağanüstü bir parlaklıkla parlıyor ki, parıltıları yakındaki gezegenlerin zayıf parıltısını bastırıyor.

Şimdi, Northwestern Üniversitesi liderliğindeki astrofizikçilerden oluşan bir ekip, parlamayı ortadan kaldıran ve daha önce görüş alanından gizlenen gezegenleri ortaya çıkaran yeni bir hesaplama tekniği geliştirdi.

Fizik tabanlı modellemeyi makine öğrenimi teknikleriyle birleştiren yeni yöntem, teleskopun soluk nesneleri tespit etme yeteneğini engelleyen küçük kusurları hesaba katıyor. Ekip, yöntemini mevcut JWST gözlemlerine uyguladığında teleskobun hassasiyetini 15 kata kadar artırdı. Yeni yöntem parlamayı sildikten sonra, geleneksel işlemenin göremediği bir görüntüde dev bir ötegezegen ortaya çıkardı.

Bu ilerleme, gökbilimcilerin teleskopları değiştirmeden daha küçük, daha soğuk ve daha sönük gezegenleri keşfetmelerine olanak sağlayabilir.

Çalışma 4 Kasım’da dergide yayınlanacak Doğa.

Araştırmayı yöneten Northwestern’den Rodrigo Ferrer-Chavez, “Gezegenler yıldızlarından milyon kat daha sönüktür” dedi. “Dolayısıyla, ötegezegenleri görüntülemek için bu parlamayı ortadan kaldırmamız gerekiyor. Bu çok zor bir sorun çünkü teleskoptaki en küçük değişiklikler bile bu parlamanın nasıl göründüğünü etkileyebilir. Hafif kaymalar veya eğimler (sadece birkaç nanometre ölçeğinde bile olsa) ışığın şeklini değiştirebilir. Yöntemimiz, ışığın teleskopta nasıl ilerlediğini modelliyor ve bu küçük değişiklikleri hesaba katarak parlamayı çok daha hassas bir şekilde ortadan kaldırmamıza olanak tanıyor.”

Ferrer-Chavez doktora derecesine sahiptir. Northwestern Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’nde astronomi öğrencisi ve burada Jason Wang’ın araştırma grubunun bir üyesi. Wang, Weinberg’de fizik ve astronomi alanında yardımcı doçent ve çalışmanın ortak yazarıdır. Wang ve Ferrer-Chavez, Astrofizikte Disiplinlerarası Araştırma ve Araştırma Merkezi’nin (CIERA) üyeleridir.

Yıldız ışığı denizinde saklı

Güneş sistemimizin dışındaki bir gezegenin fotoğrafını çekmek, yanan bir projektörün yanında uçan bir ateş böceğini tespit etmeye benzer. Nispeten parlak genç dev gezegenler bile ev sahibi yıldızlarından 100.000 kat daha sönük olabilir.

Bu zorluğun üstesinden gelmek için JWST gibi teleskoplar, koronagraf adı verilen ve sönük nesneleri tespit etmek için yıldız ışığını engelleyen özel aletler kullanıyor. Ancak yıldızı engellemek yeterli değil. Bir miktar yıldız ışığı hala içeri sızarak gezegenleri gizleyebilecek puslu bir desen oluşturuyor. Bu nedenle gökbilimciler daha sonra kalan parlamayı gidermek için görüntü işleme tekniklerini kullanıyor.

Wang, “Son 20 yıldır gökbilimciler bu sorunu farklı bir yıldızı gözlemleyerek ve onun görüntüsünü referans olarak kullanarak çözmeye çalışıyorlar” dedi. “Daha sonra, istenmeyen parlamayı ortadan kaldırmak ve aksi takdirde gizlenebilecek sönük gezegenleri ortaya çıkarmak için bu referans görüntüyü orijinal gözlemden çıkarırlar.”

Resimdeki yalpalamayı ortadan kaldırmak

Sorun hiçbir teleskopun tamamen hareketsiz kalamamasıdır. Teleskobun fiziksel yapısındaki neredeyse algılanamayan değişiklikler, dağınık yıldız ışığının düzenini değiştirir. Sonuç olarak, referans görüntü hiçbir zaman gerçek gözlemle tam olarak eşleşmez. En ufak bir uyumsuzluk bile geride soluk bir gezegeni gizlemeye yetecek kadar parıltı bırakabilir.

Wang, “Teleskopları son derece kararlı hale getirmeye çalışıyoruz, ancak henüz tam olarak çözemediğimiz aşırı mühendislik zorlukları var” dedi. “İstikrarsızlığın bilinen nedenleri ve bilinmeyen nedenleri var.

“Küçük termal değişiklikler, bir aynanın bir pikometre kadar genişlemesine veya daralmasına neden olabilir. JWST gibi teleskoplarda, aleti süper soğuk tutmak için kriyo-soğutucular bulunur. Bu soğutucularda aynaların titreşmesine neden olabilecek küçük motorlar bulunur. Dolayısıyla, bunlar gibi sorunlar var ama aynı zamanda bu karmaşık teleskopları nasıl yapacağımızı öğrenirken hala anlamadığımız sorunlar da var.”

Northwestern ekibi yalnızca referans fotoğraflara güvenmek yerine farklı bir yaklaşım benimsedi. Gezegenleri Görüntülemek için Fizik Tabanlı Öğrenme (FLIP) adı verilen yeni yöntem, teleskopun “dijital ikizi”ni yaratıyor; yıldız ışığının teleskopun aynalarından nasıl geçip dedektörlere ulaştığını simüle eden sanal bir kopya.

Yapay zeka modellerini eğitmek için kullanılanlara benzer hesaplama teknikleri kullanan ekip, konumdaki ince kaymalar ve optikteki bozulmalar da dahil olmak üzere teleskoptaki küçük kusurları hesaba katmak için dijital ikizdeki milyonlarca parametreye ince ayar yaptı. Araştırmacılar, gezegenleri tanımlamak için yapay zekayı kullanmak yerine, teleskopun fiziğine ilişkin bilgilerini güçlü optimizasyon araçlarıyla birleştirdi.

Wang, “Araştırmacıların yapay zeka modellerini eğitmek için kullandıkları hesaplama araçlarının aynısını kullandık, ancak aslında yapay zekayı kullanmadık” dedi. “Fiziği zaten bildiğimiz için, neler olduğunu anlamak için yapay zekaya ihtiyacımız yok.”

FLIP, dijital ikizi teleskobun gerçek gözlemiyle yakından eşleşene kadar tekrar tekrar ayarlayarak, istenmeyen yıldız ışığını olağanüstü bir hassasiyetle yeniden yarattı. Araştırmacılar daha sonra simüle edilmiş parıltıyı görüntüden çıkardılar.

Daha önce gizlenmiş bir gezegeni ortaya çıkarmak

Araştırmacılar, yaklaşımlarını test etmek için JWST’nin geçmiş gözlemlerini yeniden analiz ettiler. Bilinen gezegenleri olan iki yıldızın (HIP 65426 ve 51 Eridani) yanı sıra bilinen hiçbir gezegen arkadaşı olmayan üçüncü bir yıldız olan TYC 5899’un gözlemlerini incelediler.

FLIP, gözlemler genelinde geleneksel görüntü işleme tekniklerinden sürekli olarak daha iyi performans göstererek sönük gezegenleri tespit etme hassasiyetini 2 ila 15 kat artırdı. Ekip, artan hassasiyetle, 2 yıllık JWST verilerinde gizlenmiş, güneş sistemimizin ötesinde daha önce keşfedilen dev bir gezegen olan 51 Eridani b’yi tespit etti. Gezegenin atmosferindeki karbondioksit, JWST’nin gözlemlediği kızılötesi dalga boyundaki ışığı emerek gezegenin sinyalini daha da zayıf hale getirdi.

Gökbilimciler daha önce yer tabanlı teleskoplarla 51 Eridani b’yi keşfetmiş olsalar da, geleneksel görüntü işleme onu JWST’nin gezegen atmosferlerindeki karbondioksiti incelemek için kullandığı dalga boyundaki artık parıltıdan ayırt edemedi. Ferrer-Chavez aynı gözlemlere FLIP uyguladığında gezegen ortaya çıktı.

Wang, “İnsanların daha önce göremediği bir gezegeni gerçekten kurtarabileceğimizi gösterdik” dedi. “Bu, gerçek bir senaryodaki gerçek verilerdir. Verileri en uygun şekilde analiz etmek için doğru araçlara sahip olmadığımız için bilim masada kaldı.”

Bir gezegenin tespit edilmesini zorlaştıran aynı özellik, onu incelemeyi de daha ilginç hale getirebilir. JWST, karbondioksitin kızılötesi ışığı güçlü bir şekilde emdiği 4,3 mikronda hassas gözlemler yapabiliyor. Bu dalga boyundaki özelliklerin tespit edilmesi, gökbilimcilere bir gezegenin atmosferi ve bileşimi hakkında potansiyel olarak yeni ipuçları verebilir.

Dev gezegenlerden Dünya benzeri dünyalara

Şimdilik Ferrer-Chavez ve Wang, FLIP’in gökbilimcilerin daha önce mevcut gözlemlerde gizlenmiş gezegenleri ortaya çıkarmalarına yardımcı olacağını umuyor. Yöntem, yıldız ışığını daha kesin bir şekilde ortadan kaldırarak, bilim adamlarının farklı dalga boylarındaki gezegenleri incelemesine ve atmosferleri hakkında yeni ipuçları ortaya çıkarmasına da olanak tanıyabilir.

Daha ileriye bakıldığında FLIP, yeni nesil gezegen avcısı teleskopların şekillenmesine yardımcı olabilir. NASA’nın önerdiği Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi, uzak güneş benzeri yıldızların etrafında dönen Dünya benzeri gezegenleri doğrudan fotoğraflamayı amaçlıyor. Bu kadar küçük gezegenleri bulmak için teleskobun pikometre ölçeğinde optik stabiliteyi koruması gerekebilir. Bu, bir metrenin trilyonda birine eşdeğerdir veya JWST’den kabaca 100 ila 1000 kat daha kararlıdır.

FLIP ileriye doğru potansiyel olarak farklı bir yol sunar. Gökbilimciler, bir teleskobu mükemmel bir şekilde sabit tutmak için mühendislik çözümlerine güvenmek yerine, onun küçük kusurlarını düzeltebilirler.

Ferrer-Chavez, “Diğer yıldızların etrafında bizim güneş sistemimizdekilere benzeyen hiçbir gezegen bilmiyoruz.” dedi. “Bu, var olmadıklarından değil. Onları göremediğimiz anlamına geliyor. Tekniklerimizi her geliştirdiğimizde, yeni gezegen türleri keşfediyoruz. Daha fazla gezegen bularak, gezegen sistemlerinin nasıl oluştuğunu ve geliştiğini ve sonuçta kendi güneş sistemimizin gerçekte ne kadar tipik olduğunu daha iyi anlayabiliriz.”