Weltraumteleskop James Webb: Technik macht Exoplaneten in Aufnahmen sichtbar

Eine Forschungsgruppe aus den USA hat einen Weg gefunden, anhand eines „digitalen Zwillings“ des Weltraumteleskops James Webb Licht von bereits abgebildeten Sternen so präzise aus Aufnahmen zu entfernen, dass versteckte oder komplett unsichtbare Exoplaneten sichtbar werden. Das hat das California Institute of Technology bekannt gemacht und erklärt dazu, dass für das Verfahren ein physikalisches Modell der Nahinfrarotkamera NIRCam mit Optimierungstechniken aus dem maschinellen Lernen kombiniert wurde. Zwar sei das James-Webb-Teleskop bereits optisch auf Nanometer genau stabil, doch selbst das begrenze die Bildgebung noch. Weil das FLIP-genannte Verfahren die verbleibenden Instabilitäten modelliere, könne man das Sternenlicht auf Aufnahmen so gut herausrechnen, dass vorher überstrahlte Details sichtbar werden. Bei bereits bekannten Planeten sei die Empfindlichkeit damit 2- bis 15-mal so hoch wie bei Standardverfahren.

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Wie das Team jetzt ausführt, war das digitale Modell des Weltraumteleskops die Basis, anhand derer sie mithilfe von maschinellem Lernen Millionen mögliche physikalische Unvollkommenheiten und andere Unbekannte ermittelt hätten, die die Datensammlung beeinflussen könnten. Für Menschen wären diese Berechnungen in einer angemessenen Zeitspanne unmöglich zu bewältigen. Durch das Aussortieren dieser potenziellen Fehler sei es ihnen gelungen, ein perfektes Modell davon zu erstellen, wie der Glanz eines Sterns aussieht, und ihn so aus den Testbildern zu entfernen. Ihren Ansatz nennen sie Physics-based Learning for Imaging Planets (FLIP). Mitautorin Katie Bouman vom Caltech betont, dass Rechenverfahren helfen könnten, Grenzen des Teleskops selbst zu überwinden.

Erstmals habe man damit zeigen können, dass diese kleinen Unvollkommenheiten und Instabilitäten nicht mehr einschränken müssen, welche Art von Exoplaneten sich abbilden lässt, betont Erstautor Rodrigo Ferrer-Chavez von der Northwestern University: „Während man diesen iterativen Prozess durchläuft, bei dem man versucht, herauszufinden, was das Teleskop während der Beobachtungen tatsächlich tut, sieht man im Grunde, wie der Glanz des Sterns auf sehr bizarre Weise verschwindet“, erklärt er. Im Zuge dessen werde der Glanz schwächer und verforme sich, bis am Ende ein ziemlich sauberes Bild übrig bleibe. Wenn man Glück habe, zeige sich darauf ein Fleck – der leuchtende Exoplanet.

Die Forschungsgruppe will das Verfahren nun weiterentwickeln und auch an andere Observatorien anpassen, darunter etwa das Nancy Grace Roman Space Telescope. Helfen könnte es demnach auch dabei, erstmals einen erdähnlichen Exoplaneten abzubilden. Das ist das Ziel des geplanten Habitable Worlds Observatory (HWO), denn für gegenwärtige Technik sind solche Planeten viel zu klein und lichtschwach. „Die technische Herausforderung, etwas abzubilden, das etwa 10 Milliarden Mal schwächer leuchtet als ein Objekt direkt daneben, ist enorm – nicht nur, um das Bild zu bereinigen, sondern auch, um ein Teleskop zu bauen, das dieses Bild überhaupt aufnehmen kann“, ruft Ferrer-Chavez in Erinnerung. Mit FLIP könnte sich die ingenieurtechnische Herausforderung auf dem Weg dorthin jetzt vereinfachen. Vorgestellt wird das Verfahren im Wissenschaftsmagazin Nature.

(mho)