Bu gezegenleri bulmak bir zorluk, onları gerçekten görmek ise başka bir zorluk. Çoğu ötegezegen, o kadar parlak ışık saçan yıldızların yörüngesinde döner ki, gezegenleri çevreleyen parıltıdan ayırt etmek neredeyse imkansız hale gelir. En gelişmiş uzay teleskopları bile, uzaktaki bir gezegenin soluk ışığını, ev sahibi yıldızının ezici parlaklığından ayırmakta zorlanır.

Araştırmacılar, teleskop görüntülerinden yıldız ışığını kaldırmak ve daha önce gizli kalmış gezegenleri ortaya çıkarmak için güçlü yeni bir yöntem geliştirdiler. Bu teknik, James Webb Uzay Teleskobu’nun (JWST) gelişmiş bir bilgisayar simülasyonunu kullanıyor ve mevcut gözlemlerde gizlenmiş bir ötegezegenin ortaya çıkarılmasını sağladı. Bilinen gezegenleri içeren testlerde, geleneksel yaklaşımlara göre 2 ila 15 kat daha yüksek tespit hassasiyeti elde etti.

James Webb’in Dijital İkizi Gizli Gezegenleri Ortaya Çıkarıyor

Bu çığır açan buluş, evreni kızılötesi ışıkta gözlemlemek için tasarlanmış bir alet olan Webb’in Yakın Kızılötesi Kamerası’nın (NIRCam) sanal bir kopyası üzerine kurulu. Araştırmacılar, kameranın çalışma şeklini yeniden oluşturarak, gözlemlerini engelleyen küçük kusurları tespit edip düzeltebiliyorlar.

Genellikle “dijital ikiz” olarak adlandırılan sanal model, bilim insanlarının teleskobun davranışını simüle etmelerine ve yıldız ışığının optik sisteminde nasıl yayıldığını belirlemelerine olanak tanır. Yıldızın ürettiği desenleri anladıktan sonra, bu parlamanın büyük bir kısmını dijital olarak çıkarabilirler ve böylece sönük gezegenleri tespit etmeyi kolaylaştırabilirler.

Caltech’ten Bilgisayar ve Matematik Bilimleri, Elektrik Mühendisliği ve Astronomi Profesörü, Rosenberg Bursiyeri ve Heritage Tıp Araştırma Enstitüsü Araştırmacısı Katie Bouman, 4 Kasım’da çevrimiçi olarak yayınlanan yeni yöntem hakkındaki Nature makalesinin ortak yazarlarından biri olarak, “Ötegezegenleri doğrudan görüntülemek inanılmaz derecede zor çünkü bir teleskoptaki en küçük kusurlar bile bir gezegenin zayıf ışığını yıldızının ezici parlaklığından ayırmayı zorlaştırabilir” diye açıklıyor .

Bouman sözlerine şöyle devam ediyor: “Heyecan verici olan, hesaplamanın teleskobun kendi sınırlamalarının üstesinden gelmeye nasıl yardımcı olabileceğini gösteriyor olmamız. Enstrümanın fiziksel bir modelini makine öğreniminden optimizasyon teknikleriyle birleştirerek, yıldız ışığını çok daha hassas bir şekilde ortadan kaldırabildik; bu da sönük ötegezegenleri tespit etmeyi kolaylaştırdı ve hatta JWST verilerinde daha önce gizli kalmış bir gezegeni ortaya çıkardı.”

Bilim insanları göz kamaştırıcı yıldız ışığını nasıl yok ediyor?

Araştırmacılar yaklaşımlarına Gezegen Görüntüleme için Fizik Tabanlı Öğrenme (FLIP) adını verdiler. Sistem, tamamen teleskop donanımındaki iyileştirmelere dayanmak yerine, daha önce toplanmış görüntülerdeki sorunları düzeltmek için gelişmiş hesaplama yöntemlerini kullanıyor.

FLIP’i geliştirmek için ekip, Webb’in kızılötesi kamerasının ayrıntılı bir fiziksel modelini oluşturdu. Ardından, teleskobun gözlemlerini etkileyebilecek milyonlarca olası kusuru, ince değişiklikleri ve diğer bilinmeyen faktörleri incelemek için hesaplama teknikleri kullandılar.

Bu küçük farklılıklar önemlidir çünkü son derece hafif bir bozulma bile bir yıldızın görüntüdeki görünümünü değiştirebilir. Gökbilimciler yıldızın ışığını ortadan kaldırmaya çalıştıklarında, kalan herhangi bir parlama, yakındaki bir gezegenden gelen çok daha sönük sinyali bastırabilir.

Bu etkileri hesaba katarak, FLIP yıldızın görünümünün son derece hassas bir modelini oluşturur. Araştırmacılar daha sonra bu modellenmiş yıldız ışığını orijinal gözlemlerden çıkararak, daha önce gizlenmiş nesnelerin görünür hale gelmesini sağlayabilirler.

“Bu, bu küçük kusurların veya istikrarsızlıkların görüntüleyebileceğimiz gezegen türlerinde sınırlayıcı bir faktör olmadığını ilk kez gösterdiğimiz çalışma,” diyor makalenin baş yazarı ve Northwestern Üniversitesi’nde gökbilimci Jason Wang’ın laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan Rodrigo Ferrer-Chavez. “Teleskopun gözlemler sırasında aslında ne yaptığını bulmaya çalışırken bu yinelemeli süreçten geçerken, temelde yıldızın parıltısının çok tuhaf şekillerde kaybolduğunu görüyorsunuz. Sonunda oldukça temiz bir görüntü elde edene kadar giderek sönükleşiyor ve çok deforme oluyor ve eğer şanslıysanız, orada parlayan bir gezegen olan bir leke görüyorsunuz.”

Başarısız Bir Deney Büyük Bir Atılımın Yolunu Açtı

FLIP’in ardındaki fikir, Ferrer-Chavez Meksika’daki Yucatán Özerk Üniversitesi’nde lisans öğrencisiyken şekillenmeye başladı. O sırada Dimitri Mawet’in laboratuvarında 51 Pegasi b Doktora Sonrası Araştırma Görevlisi (Güneş benzeri bir yıldızın yörüngesinde keşfedilen ilk ötegezegenin adını taşıyor) olan Wang ile bir Yaz Lisans Araştırma Bursu projesine katılmıştı.

Mawet, Caltech’te David Morrisroe Astronomi Profesörü ve Caltech tarafından yönetilen NASA’nın Jet İtki Laboratuvarı’nda kıdemli araştırma bilimcisi olarak görev yapmaktadır. Ayrıca Caltech Optik Gözlemevleri’nde enstrümantasyon direktörü olarak da çalışmaktadır.

O dönemde Ferrer-Chavez, araştırmalarına devam etmek için ek fırsatlar arıyordu. Bu sırada Wang, Bouman ile potansiyel bir iş birliği hakkında görüşmeler yapıyordu; bu iş birliği, Wang’ın hesaplamalı görüntüleme alanındaki uzmanlığını Bouman’ın astronomik aletler hakkındaki bilgisiyle birleştirecekti. Ortak hedefleri, teleskopların ötegezegenleri doğrudan görüntüleme yeteneğini geliştirmekti.

İki araştırmacı Ferrer-Chavez’i projeye dahil etti ve ona mentörlük yapmaya başladı. Ancak ilk çabalar umdukları sonuçları vermedi.

Wang, “Rodrigo’nun bitirme tezi, olası yaklaşımların bir araştırmasıydı; bunların hiçbiri bu makalede yaptığımız şeyle sonuçlanmadı, ancak ne yapılmaması gerektiğini elememize ve sorunu daha iyi anlamamıza yardımcı oldu,” diyor. “Son başarımızın ancak bu çalışmayı önceden yaptığımız için mümkün olduğuna inanıyorum.”

Ferrer-Chavez başlangıçta teleskop verilerinde görünen yıldız ışığı desenlerini tahmin etmek için makine öğrenimi modelleri eğitmeyi denedi. Bu strateji başarısız oldu ve ekip, teknolojinin nasıl kullanılabileceğini yeniden düşünmeye başladı.

Yapay zekâdan parlamanın nasıl görünmesi gerektiğini tahmin etmesini istemek yerine, ayrıntılı fiziksel hesaplamalar yapmak için makine öğrenimi için geliştirilen hesaplama araçlarına başvurdular.

Bu yöntemler, araştırmacıların milyonlarca değişkeni ayarlamasına, tıpkı devasa bir kontrol düğmeleri koleksiyonunu çevirmek gibi, olanak sağladı. Her ayarlama, teleskop simülasyonunu gerçek gözlemlere daha yakın bir şekilde yeniden üretene kadar iyileştirmeye yardımcı oldu. Bu kadar çok hesaplamayı manuel olarak yapmak pratik olmazdı.

Ortaya çıkan yaklaşım, ışığı ve teleskop optiğini yöneten fiziksel yasaları, modern optimizasyon yöntemlerinin hesaplama gücüyle birleştiriyor. FLIP, bir görüntüden neyin çıkarılması gerektiğini basitçe tahmin etmek yerine, teleskobun o görüntüyü ilk etapta nasıl ürettiğine dair bir model kullanıyor.

James Webb’in Arşivleri Daha Fazla Gizli Dünya İçerebilir

En heyecan verici olasılıklardan biri, gökbilimcilerin bu keşiften faydalanmak için yeni teleskop gözlemlerine ihtiyaç duymayabilecek olmalarıdır.

Webb teleskobu, daha önceki analiz yöntemleriyle tespit edilemeyecek kadar sönük gezegenler barındırabilecek yıldızların görüntüleri de dahil olmak üzere, çok büyük miktarda astronomik veri topladı. FLIP, bu gözlemleri yeniden inceleme ve gözden kaçmış nesneleri arama olanağı sunuyor.

Ferrer-Chavez, “Artık daha önce ‘göremediğimiz’ gezegenleri keşfetmemizi ve incelememizi sağlayan bir aracımız var; bu gezegen JWST arşivindeki bir görüntüde zaten mevcut olsa bile,” diye açıklıyor. “Orada gözden kaçmış olabilecek gezegenleri ve belki de görüntülemeye çalıştığımız ancak o sırada tespit edemediğimiz gezegenleri bulmaya çalışabiliriz.”

Bu, daha önce doğrudan görüntüleme ile ulaşılamayacak yerler olarak düşünülen bazı gezegenlerin, uzaya başka bir teleskop göndermeye gerek kalmadan tespit edilebileceği anlamına geliyor.

Bu durum, gökbilimcilerin mevcut gözlemler hakkında düşünme biçimini de değiştiriyor. Sadece parlak bir yıldız içeriyor gibi görünen bir görüntü, parıltısının altında gizlenmiş gezegenler hakkında ek bilgiler içerebilir.

Teleskopları Fiziksel Sınırlarının Ötesine İtmek

Gökbilimciler, yıldızların aşırı parlaklığını azaltmak için on yıllardır teknoloji geliştiriyorlar. Önemli araçlardan biri de koronograftır; bu alet, yakındaki sönük cisimlerin daha net gözlemlenebilmesi için yıldız ışığını engellemek üzere tasarlanmıştır.

Örneğin, NASA’nın yakın zamanda fırlattığı Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu, Caltech, JPL ve IPAC (Caltech’te astronomi için bir bilim ve veri merkezi) araştırmacıları tarafından geliştirilen bir Koronograf Enstrümanı taşıyor. Bu enstrüman, yıldız ışığını bastırmak ve ötegezegenlerin doğrudan görüntülenmesini iyileştirmek için özel olarak tasarlanmıştır.

Ancak son derece hassas teleskop donanımının bile kaçınılmaz sınırlamaları vardır. Wang, fiziksel aletlerin tek başına, görüntüleri işlerken FLIP tarafından elde edilen düzeltme seviyesine ulaşamayacağını açıklıyor.

“Üzerinde deneme yaptığımız James Webb Uzay Teleskobu, nanometre seviyesinde optik olarak kararlı, bu da kulağa oldukça harika geliyor, ancak yine de sınırlayıcı,” diyor. “Bu tekniğin özellikle JWST ile sınırlı olmaması bizi heyecanlandırıyor. Çok özel bir tasarım sayesinde, bu teknik herhangi bir teleskopta kullanılabilir.”

Bir nanometre, metrenin milyarda biridir; bu da Webb’in optik sisteminin olağanüstü bir hassasiyete sahip olduğu anlamına gelir. Ancak bu inanılmaz derecede küçük ölçekteki bozulmalar bile parlak yıldızların yanındaki gezegenlerin tespitini engelleyebilir.

FLIP bu soruna farklı bir çözüm yolu sunuyor. Teleskobun kendisinin her küçük kusuru ortadan kaldırmasını gerektirmek yerine, bu teknik gözlemler yapıldıktan sonra bu etkileri matematiksel olarak hesaba katıyor.

Araştırmacılar şimdi FLIP’i geliştirmeyi ve Roman Uzay Teleskobu ve Dünya yüzeyinden çalışan teleskoplar da dahil olmak üzere ek cihazlarla nasıl çalışabileceğini araştırmayı amaçlıyorlar.

Başka Bir Dünya Arayışında Güçlü Yeni Bir Araç

Bu yaklaşımın etkileri, günümüzdeki gözlemevlerinin çok ötesine uzanabilir. Araştırmacılar, yaklaşımlarının gelecekteki uzay görevlerini, özellikle de Dünya’ya benzeyen gezegenleri aramak için tasarlanan görevleri şekillendirmeye yardımcı olabileceğine inanıyor.

Önemli olasılıklardan biri de NASA’nın önerdiği Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi (HWO). Bu misyon, diğer yıldızların yörüngesinde bulunan gezegenlerde yaşam belirtileri aramak için özel olarak tasarlanmış ilk teleskop olmayı hedefliyor.

Temel amaç, Güneşimize benzer yıldızların yaşanabilir bölgelerindeki Dünya benzeri gezegenlerin fotoğraflarını çekmek olacaktır. Yaşanabilir bölge, uygun atmosferik koşullar varsayıldığında, bir gezegenin yüzeyinde sıvı suyun var olmasına izin verebilecek sıcaklıkların bulunduğu yıldızın etrafındaki mesafe aralığıdır.

Ancak teknik zorluk çok büyük. Güneş benzeri bir yıldızın etrafında dönen Dünya benzeri bir gezegen, yıldızın kendisinden yaklaşık 10 milyar kat daha sönük olabilir; bu da gezegeni çevredeki ışıktan ayırt etmeyi son derece zorlaştırır.

Ferrer-Chavez, “HWO’nun amacı, doğrudan görüntüleme yöntemiyle Dünya benzeri gezegenleri ve Güneş benzeri yıldızların yaşanabilir bölgelerini bulmaktır,” diyor. “Yanındaki bir şeye göre yaklaşık 10 milyar kat daha sönük bir şeyi görüntülemeye çalışmanın mühendislik zorluğu çok büyük; sadece görüntüyü temizlemek değil, aynı zamanda bu görüntüyü alabilecek bir teleskop inşa etmek de çok zor.”

FLIP bu zorluğu daha yönetilebilir hale getirebilir. Gökbilimciler bir görüntü yakaladıktan sonra istenmeyen yıldız ışığını dijital olarak daha fazla ortadan kaldırabilirlerse, gelecekteki teleskop tasarımlarının optik kararsızlığın her kaynağını yalnızca donanım yoluyla aşması gerekmeyebilir.

Bu yaklaşım, mühendislere daha fazla esneklik sağlarken, gökbilimcilerin de aletlerinin topladığı ışıktan daha fazla bilgi elde etmelerine olanak tanıyabilir.

Wang, “Bence yeni bir ufuk açtık,” diyor. “Bu yeni teknikle ilk defa teleskop kararlılık sınırının ötesine geçtik ve bence bu yeni paradigma, ötegezegenleri görüntülemeye çalışan her cihaza uygulanabilir.”

Uzaylı Yaşam Arayışını Odak Noktasına Getirmek

Bouman için uzun vadeli hedef, sadece daha uzak gezegenler bulmaktan çok daha büyük. Gökbilimciler nihayetinde Dünya’ya benzeyen dünyaların doğrudan görüntülerini elde etmeyi ve olası yaşam belirtileri açısından incelemeyi umuyorlar.

Bu hedefe ulaşmak, teleskop mühendisliği, astronomik aletler ve görüntü işleme alanlarında büyük ilerlemeler gerektirecektir. Ancak yeni araştırma, en önemli gelişmelerin giderek daha hassas donanımlar üretmekten ziyade verileri yorumlamanın daha iyi yollarından kaynaklanabileceğini göstermektedir.

Bouman, “Daha katedilecek çok yol var, ancak bu çalışma, teleskop teknolojisindeki ilerlemeleri hesaplamalı görüntüleme ile birleştirdiğimizde ne kadar daha fazlasının mümkün olduğunu gösteriyor,” diyor. “Bazen yeni bir şey görmenin anahtarı sadece daha iyi bir alet inşa etmek değil, topladığı ışığı anlamlandırmanın daha iyi bir yolunu bulmaktır.”

Bulgular, “Teleskop kararlılık sınırının altındaki ötegezegenlerin görüntülenmesi” başlıklı bir makalede Nature dergisinde yayınlandı . Makalenin diğer ortak yazarları arasında MIT’den William T. Freeman ve Brandon Y. Feng ile Baltimore’daki Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü’nden Laurent Pueyo ve Marshall D. Perrin yer alıyor.

Bu araştırma, Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü, Sloan Vakfı, Amazon AI4Science Keşif Ödülü ve Ulusal Bilim Vakfı’ndan destek almıştır.