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Neue Bildanalyse macht verborgenen Exoplaneten in alten Webb-Daten sichtbar
Das Licht heller Sterne macht selbst bekannte Exoplaneten auf Teleskopbildern oft unsichtbar. Ein neues Rechenverfahren hat in älteren Aufnahmen des James-Webb-Teleskops den Gasriesen 51 Eridani b erstmals bei 4,3 Mikrometern nachgewiesen, obwohl die übliche Bildverarbeitung kein Signal erkennen ließ. Bei den untersuchten Aufnahmen erhöhte sich die Nachweisempfindlichkeit gegenüber der Standardmethode um das Zwei- bis Fünfzehnfache.
Evanston (U.S.A.). Direkte Bilder ferner Planeten sind schwierig, weil der Zentralstern das schwache Licht eines Begleiters um ein Vielfaches überstrahlt. Ein sogenannter Koronograf blendet den hellsten Teil des Sternenlichts aus, aber verstreutes Restlicht kann den Planeten weiterhin verdecken.
Um dieses Störlicht zu entfernen, werden bisher meist Vergleichsaufnahmen anderer Sterne vom eigentlichen Bild abgezogen. Schon winzige Veränderungen der Spiegelstellung oder der Teleskopausrichtung reichen allerdings aus, damit die Lichtmuster nicht genau übereinstimmen. Das kann selbst den 2015 entdeckten Gasriesen 51 Eridani b bei bestimmten Infrarotwellenlängen unsichtbar machen.
Forscher der Northwestern University um Rodrigo Ferrer-Chavez haben nun das Verfahren Physics-based Learning for Imaging Planets (FLIP) entwickelt. Es bildet die Lichtausbreitung durch Spiegel, Koronograf und Detektor des Teleskops physikalisch nach, statt lediglich vorhandene Sternbilder voneinander abzuziehen.
Dafür passt eine mehrstufige Optimierung ungefähr eine Million Modellparameter an die Beobachtungen an, zunächst anhand eines Referenzsterns und anschließend am eigentlichen Ziel. So kann FLIP kleine Unterschiede in Ausrichtung, Wellenfront und Reaktion einzelner Detektorpixel rechnerisch berücksichtigen. Die automatische Berechnung der notwendigen Ableitungen ermöglicht diese aufwendige Anpassung mithilfe einer Grafikkarte.
Zusätzlich werden künstliche Planetensignale eingefügt, um mögliche Verluste durch die Bildkorrektur zu kontrollieren. Sobald die Optimierung diese Testsignale nicht mehr verbessert, stoppt das Verfahren, damit echte Planeten nicht versehentlich mit dem Sternenlicht verschwinden.
„Planeten sind eine Million Mal lichtschwächer als ihre Sterne“, erklärt Rodrigo Ferrer-Chavez.
Für die Erprobung wertete das Team vier bereits veröffentlichte Beobachtungsdatensätze der Nahinfrarotkamera NIRCam aus. Sie umfassen die Sternsysteme HIP 65426 und 51 Eridani mit bekannten Planeten sowie TYC 5899, bei dem künstlich eingefügte Planetensignale als Test dienten.
Im Vergleich mit dem etablierten Auswerteverfahren KLIP erreichte FLIP je nach Datensatz und Abstand vom Stern eine zwei- bis fünfzehnfach bessere Nachweisempfindlichkeit. Besonders auffällig war der Fall von 51 Eridani b. In einer Aufnahme bei 4,3 Mikrometern ließ sich der bereits bekannte Exoplanet nun mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 6,3 erkennen, während die herkömmliche Auswertung dort keinen belastbaren Nachweis geliefert hatte.
„Wir haben gezeigt, dass wir tatsächlich einen Planeten wieder sichtbar machen können, den man zuvor nicht sehen konnte“, erklärt Jason J. Wang von der Northwestern University.