Запуск и Австралийские Исследования: Как Мы Острим Зрение Телескопа Джеймса Уэбба

После рождественского ужина 2021 года наша семья с замиранием сердца смотрела на телевизор, наблюдая за захватывающим запуском $10 миллиардного Телескопа Джеймса Уэбба от NASA. С момента запуска Телескопа Хаббл в 1990 году не было таких масштабных достижений в технологии телескопов.

Во время развертывания Уэбб должен был успешно преодолеть 344 потенциальные точки отказа. К счастью, запуск прошел гораздо лучше, чем ожидалось, и мы наконец смогли вздохнуть свободно.

Прошло шесть месяцев, и были представлены первые изображения Уэбба, демонстрирующие самые удаленные галактики, когда-либо наблюдавшиеся людьми. Но для нашей команды в Австралии работа только начиналась.

Мы собирались использовать режим самого высокого разрешения Уэбба, называемый интерферометром с маскированием диафрагмы (AMI). Это маленький элемент, точно обработанный в виде металлической пластины, устанавливающийся в одну из камер телескопа и улучшающий его разрешение.

Результаты нашей тщательной работы по тестированию и улучшению AMI были опубликованы в открытом доступе. Мы смогли наконец представить его первые успешные наблюдения звезд, планет, луно и даже джетов черных дыр.

Работа с инструментом на миллионе миль

Хаббл начал свою жизнь с нечеткими изображениями — его зеркало было отшлифовано точно, но неправильно. Сравнив известные звезды и измеренные изображения, удалось установить «рецепт» для исправления этой оптической ошибки и создать линзу для компенсации.

Для этого потребовалось, чтобы семь астронавтов запрыгнули на Space Shuttle Endeavor в 1993 году для установки новой оптики. Хаббл облетает Землю всего в нескольких сотнях миль над поверхностью и доступен для астронавтов.

В отличие от этого, Уэбб находится примерно в 1 миллионе миль (1.5 миллиона километров) от Земли — мы не можем его посетить и обслуживать, и нам нужно решать проблемы без изменения аппаратного обеспечения.

Именно здесь и вступает в действие AMI, единственная австралийская аппаратная часть на борту, разработанная астрономом Питером Татхиллом. Она была установлена на Уэбб для диагностики и измерения размытости его изображений.

Каждый нанометр искажения в 18 его шестигранных основных зеркалах может существенно влиять на качество изображения, особенно при изучении планет или черных дыр, где чувствительность и разрешение критически важны.

AMI фильтрует свет с помощью тщательно структурированного шаблона отверстий в простой металлической пластине, что значительно упрощает выявление любых оптических несоответствий.

Поиск размытых пикселей

Мы хотели использовать этот режим для наблюдения за местами рождения планет, а также материалом, поглощаемым черными дырами. Однако AMI показал, что Уэбб работает не так идеально, как ожидалось.

При очень высоком разрешении все изображения были немного размыты из-за электронного эффекта: яркие пиксели просачивались в свои темные соседи.

Это не ошибка или недостаток, это фундаментальная особенность инфракрасных камер, которая оказалась неожиданно серьезной для Уэбба. Это стало критической проблемой для наблюдения за удаленными планетами, которые в тысячи раз тускнее своих звезд. Мои коллеги вскоре показали, что его пределы были более чем в десять раз хуже, чем мы надеялись.

Таким образом, мы поставили перед собой задачу исправить это.

Как мы улучшили зрение Уэбба

В новом исследовании, возглавляемом студентом аспирантуры Университета Сиднея Луисом Дездуа, мы использовали AMI для определения и исправления оптических и электронных искажений одновременно.

Мы построили компьютерную модель для симуляции оптической физики AMI и связали это с моделью машинного обучения для представления электроники. Эта установка позволила нам вычислить и отменить размытость в других данных, восстанавливая AMI к полной функции.

Исправление открыло двери для использования AMI для поиска неизвестных планет с ранее невозможными разрешениями и чувствительностями.

С исправлением мы смогли сосредоточить внимание на луне Юпитера Ио, ясно зафиксировав ее вулканы в течение часового таймлапса. Теперь мы надеемся, что это развитие приведет к новым открытиям в области астрономии.