Badacze sprawdzili, jak dryf frontu falowego wpływa na obróbkę zdjęć koronograficznych. Wynik jest naprawdę niezwykle brutalny dla planet typu Ziemia.
NASA chce zbudować teleskop, który zrobi coś, co dziś wciąż pozostaje poza naszym zasięgiem: bezpośrednio sfotografuje planety podobne do Ziemi krążące wokół innych gwiazd. To jednak niezwykle trudne zadanie, bo taka planeta może świecić choćby 10 mld razy słabiej niż jej gwiazda. To trochę tak, jakby próbować dostrzec latającego świetlika tuż obok potężnego reflektora.
Nowe symulacje przeprowadzone przez Natalię Sanchez-Sorię, Scotta D. Willa i Jamesa R. Fienupa pokazują, iż choćby jeżeli uda się zasłonić gwiazdę koronografem i zastosować zaawansowaną obróbkę obrazu, druga Ziemia przez cały czas może zniknąć. Wystarczy minimalny dryf optyki. Nie milimetr. Nie mikrometr. Mówimy o przesunięciach segmentów lustra liczonych w pikometrach, czyli bilionowych częściach metra.
Teleskop przyszłości musi zobaczyć coś niemal niewidzialnego
Chodzi o planowane przez NASA Habitable Worlds Observatory, czyli Obserwatorium Światów Mieszkalnych. To koncepcja dużego teleskopu kosmicznego, który ma w przyszłości szukać planet podobnych do Ziemi i badać ich atmosfery pod kątem możliwych śladów życia.
Największy problem jest tak naprawdę bardzo prosty do opisania, ale piekielnie trudny do rozwiązania. Gwiazda świeci tak mocno, iż jej światło zalewa wszystko wokół. Planeta odbija tylko mikroskopijną część tego blasku. Żeby ją zobaczyć, teleskop musi odciąć światło gwiazdy, nie niszcząc przy tym słabego sygnału planety.
Do tego właśnie służy koronograf, czyli instrument blokujący światło gwiazdy. Tyle iż choćby najlepszy koronograf nie usuwa wszystkiego idealnie. W obrazie zostają resztki blasku, wzory optyczne i szumy. Astronomowie próbują je później odejmować dzięki zaawansowanych metod obróbki danych. I właśnie tutaj zaczyna się najnowszy problem.
Obraz można oczyścić tylko wtedy, gdy teleskop się nie zmienia
Metody usuwania resztek światła gwiazdy zakładają, iż optyka teleskopu jest ekstremalnie stabilna. jeżeli układ luster, segmentów i instrumentów zachowuje się przewidywalnie, można rozpoznać wzór pozostawiony przez gwiazdę i odjąć go z obrazu. Wtedy w danych może pojawić się słabiutki punkt, czyli planeta.
Jeżeli jednak optyka minimalnie się zmieni, wzór światła gwiazdy też się zmienia. Wtedy komputer nie odejmuje już dokładnie tego samego sygnału, który przeszkadza w obserwacji. Resztki światła zaczynają udawać planetę albo przeciwnie – przykrywają prawdziwą planetę.
To zjawisko nazywa się dryfem frontu falowego. Światło przechodzące przez teleskop przestaje zachowywać się idealnie tak samo w czasie. Przy zwykłych zdjęciach astronomicznych drobne zmiany można często zaakceptować. Przy szukaniu drugiej Ziemi obok oślepiającej gwiazdy margines błędu robi się absurdalnie mały.
Największy problem kryje się w segmentach lustra
Zespół sprawdził w symulacjach, jak taki dryf wpływa na popularne techniki obróbki zdjęć koronograficznych. Badacze wykorzystali model kosmicznego teleskopu z koronografem i segmentowanym lustrem głównym, podobnym do rozwiązań rozważanych dla przyszłych misji.
Bardzo duże teleskopy trudno budować z jednego kawałka lustra. Dlatego lustro dzieli się na segmenty, które razem pracują jak jedna powierzchnia. Tak działa m.in. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Segmentowana konstrukcja daje ogromną powierzchnię zbierającą światło, ale ma cenę: każdy segment musi być ustawiony z niewyobrażalną precyzją.
Symulacje pokazały, iż duże, łagodne deformacje optyki są problemem, ale jeszcze da się z nimi częściowo walczyć przy niskim dryfie. Znacznie groźniejsze są drobne przesunięcia między segmentami lustra. To właśnie one potrafią najskuteczniej niszczyć zdolność wykrywania planet podobnych do Ziemi i Wenus.
Dwa pikometry na 10 minut. Tyle może dzielić sukces od porażki
Jednym z najważniejszych wniosków badania jest to, iż wszystkie testowane metody obróbki wymagały stabilności ustawienia segmentów poniżej 2 pikometrów na 10 minut, aby dało się wykrywać bliskie egzoplanety podobne do Ziemi. To wartość trudna do wyobrażenia. Pikometr to 10 do potęgi minus 12 metra, czyli skala znacznie mniejsza niż rozmiar atomu.
Oznacza to, iż teleskop nie może być po prostu bardzo dokładny. Musi zachowywać stabilność na poziomie, który z punktu widzenia zwykłej mechaniki brzmi niemal absurdalnie. Każde minimalne drgnięcie, termiczne rozszerzenie materiału, mikroskopijne napięcie konstrukcji albo przesunięcie segmentów może zniszczyć delikatny kontrast potrzebny do zobaczenia planety.
Co ciekawe, większe planety położone dalej od gwiazd, podobne do Jowisza, były w symulacjach znacznie bardziej odporne na takie problemy. Są jaśniejsze, łatwiej je oddzielić od gwiazdy i nie giną tak gwałtownie w resztkach światła. Druga Ziemia jest natomiast najtrudniejszym możliwym celem.
Sama moc obliczeniowa tu nie wystarczy
Badacze podczas swojej pracy porównali kilka metod obróbki obrazu, w tym techniki wykorzystujące gwiazdy odniesienia, obrót pola widzenia i informację o świetle spójnym. W symulacjach najlepiej wypadała metoda wykorzystująca obrót pola widzenia podczas obserwacji (tzw. angular differential imaging), ale żadna nie była odporna na rosnący dryf optyki.
Wynik ten tak naprawdę pokazuje ograniczenia samej obróbki danych. Można mieć świetne algorytmy, ale one nie naprawią wszystkiego. jeżeli teleskop podczas obserwacji zmienia swój optyczny podpis, choćby najlepsza obróbka danych zaczyna tracić grunt pod nogami. Innymi słowy, drugiej Ziemi nie da się znaleźć wyłącznie software’em.
To szczególnie istotne w czasach, gdy bardzo łatwo mówi się, iż AI, algorytmy i obróbka danych wyciągną z obrazu wszystko. Astronomia wysokiego kontrastu jest bardziej bezlitosna. Najpierw musi zadziałać fizyka instrumentu. Dopiero później można ratować sygnał obliczeniami.
NASA musi projektować teleskop razem z obróbką danych
Największy wniosek dla NASA jest taki, iż Habitable Worlds Observatory nie może być projektowane tylko jako teleskop z możliwie dobrym koronografem. Stabilność lustra i zachowanie segmentów muszą być od początku wpisane w wymagania misji, bo to one zdecydują, czy późniejsza obróbka danych w ogóle będzie miała z czego wydobywać planety.
To nie oznacza oczywiście, iż misja jest z góry skazana na porażkę. Badanie jest symulacją uproszczonego scenariusza. Nie uwzględnia wszystkich przyszłych systemów aktywnej korekcji frontu falowego ani pełnej złożoności obserwatorium. Autorzy sami zaznaczają, iż kolejne prace powinny obejmować bardziej realistyczne warunki.
Wyniki stanowią istotny sygnał dla projektantów przyszłych obserwatoriów kosmicznych. jeżeli NASA chce naprawdę szukać planet podobnych do Ziemi, musi myśleć nie tylko o średnicy lustra, koronografie i detektorach. Musi zbudować całą maszynę tak stabilną, żeby przez długie minuty jej segmenty praktycznie nie oddychały względem siebie.
