После рождественского ужина в 2021 году наша семья не отрываясь смотрела по телевизору за запуском телескопа Джеймса Уэбба, созданного NASA, стоимостью 10 миллиардов долларов США (15 миллиардов австралийских долларов). Такого скачка вперёд в технологии телескопов не было со времён запуска «Хаббла» в 1990 году.
Путь к развёртыванию
Во время развёртывания телескопу Уэбба предстояло успешно преодолеть 344 потенциальные точки отказа. К счастью, запуск прошёл лучше ожиданий, и мы наконец смогли вздохнуть спокойно.
Первые изображения
Через шесть месяцев были представлены первые изображения Уэбба — самых далёких галактик, которые когда-либо видели. Однако для нашей команды в Австралии работа только начиналась.
Использование интерферометра с апертурной маской
Мы будем использовать режим с наивысшим разрешением Уэбба, называемый интерферометром с апертурной маской (AMI). Это крошечный кусочек точно обработанного металла, который вставляется в одну из камер телескопа, повышая его разрешение.
Результаты тестирования и усовершенствования AMI
Наши результаты по кропотливому тестированию и усовершенствованию AMI теперь опубликованы в открытом доступе на arXiv в паре статей. Мы наконец можем представить его первые успешные наблюдения за звёздами, планетами, лунами и даже джетами чёрных дыр.
Оптическая коррекция «Хаббла»
«Хаббл» начал свою жизнь с размытым изображением — его зеркало было отшлифовано точно, но неправильно. Глядя на известные звёзды и сравнивая идеальные и измеренные изображения (точно так же, как это делают оптометристы), можно было выяснить «рецепт» этой оптической ошибки и разработать линзу для её компенсации.
Для коррекции потребовалось семь астронавтов на космическом шаттле Endeavour в 1993 году, чтобы установить новую оптику. «Хаббл» вращается вокруг Земли всего в нескольких сотнях километров от поверхности, и до него могут добраться астронавты.
Особенности «Джеймса Уэбба»
В отличие от «Хаббла», «Уэбб» находится примерно в 1,5 миллионах километров от нас — мы не можем посетить его и обслужить, и нам нужно иметь возможность устранять неполадки без замены какого-либо оборудования.
Австралийский вклад
Это единственное австралийское оборудование на борту, разработанное астрономом Питером Тафтиллом. Оно было установлено на «Уэббе» для диагностики и измерения любого размытия на его изображениях.
Проблема с размытием изображений
Даже нанометры искажений в 18 шестиугольных первичных зеркалах Уэбба и на многих внутренних поверхностях будут достаточно размывать изображения, чтобы затруднить изучение планет или чёрных дыр, где чувствительность и разрешение имеют ключевое значение.
AMI фильтрует свет с помощью тщательно структурированного узора из отверстий в простой металлической пластине, чтобы было намного проще определить наличие оптических смещений.
Решение проблемы размытия
Мы хотели использовать этот режим для наблюдения за местами рождения планет, а также за материалом, засасываемым чёрными дырами. Но прежде чем что-либо из этого, AMI показал, что «Уэбб» работает не совсем так, как хотелось бы.
На очень мелком разрешении — на уровне отдельных пикселей — все изображения были слегка размытыми из-за электронного эффекта: более яркие пиксели просачивались в более тёмные соседние.
Это не ошибка или недостаток, а фундаментальная особенность инфракрасных камер, которая оказалась неожиданно серьёзной для «Уэбба».
Коррекция данных
В новой статье под руководством аспиранта Сиднейского университета Луиса Дезоигта мы рассмотрели звёзды с помощью AMI, чтобы изучить и исправить оптические и электронные искажения одновременно.
Мы создали компьютерную модель для имитации оптической физики AMI, с учётом форм зеркал и аpertures и цветов звёзд. Мы соединили это с моделью машинного обучения, чтобы представить электронику с «эффективной моделью детектора» — где нас волнует только то, насколько хорошо она может воспроизводить данные, а не почему.
После обучения и проверки на некоторых тестовых звёздах эта установка позволила нам рассчитать и устранить размытие в других данных, восстановив полную функциональность AMI. Это не меняет того, что делает «Уэбб» в космосе, а скорее корректирует данные во время обработки.
Результаты
Это сработало прекрасно — у звезды HD 206893 есть слабая планета и самый красный из известных коричневых карликов (объект между звездой и планетой). Они были известны, но были вне досягаемости с «Уэббом» до применения этой коррекции. Теперь обе маленькие точки чётко проявились на наших новых картах системы.
Эта коррекция открыла дверь для использования AMI для поиска неизвестных планет с ранее невозможными разрешениями и чувствительностью.
В сопутствующей статье аспиранта Сиднейского университета Макса Чарльза мы применили это не только к точкам — даже если эти точки являются планетами, — но и к формированию сложных изображений с наивысшим разрешением, полученным с помощью «Уэбба». Мы пересмотрели хорошо изученные цели, которые раздвигают границы возможностей телескопа, тестируя его производительность.
С новой коррекцией мы сфокусировали спутник Юпитера Ио, чётко отслеживая его вулканы во время часового таймлапса.
Как видно на AMI, струя, запущенная чёрной дырой в центре галактики NGC 1068, близко соответствует изображениям, полученным с помощью гораздо более крупных телескопов.
Наконец, AMI может чётко различить ленту пыли вокруг пары звёзд, называемой WR 137, слабого родственника впечатляющей системы Апеп.
Код, созданный для AMI, является демонстрацией для гораздо более сложных камер на «Уэббе» и его преемнике, космическом телескопе Романа. Эти инструменты требуют оптической калибровки настолько точной, что она составляет всего лишь долю нанометра — за пределами возможностей любых известных материалов.
Наша работа показывает, что если мы сможем измерить, контролировать и корректировать материалы, с которыми нам приходится работать, мы всё ещё можем надеяться найти планеты, похожие на Землю, в дальних уголках нашей галактики.
Предоставлено The Conversation.