Astronomie Australische promovendi hebben een fout hersteld die het scherpste oog van de ruimtetelescoop vertroebelde. De resultaten zijn spectaculair.
Beelden van de James Webb Telescope voor (bovenste rij) en na de behandeling (onderste rij). Van links naar rechts: het sterrenstelsel NGC 1068, Jupiter-maan Io en de ster WR 137.
Twee promovendi uit Sydney hebben het blikveld van ’s werelds krachtigste ruimtetelescoop verscherpt – zonder de aarde te verlaten. Louis Desdoigts, inmiddels onderzoeker aan de Leidse sterrenwacht, en zijn collega Max Charles herstelden met slimme software een fout in de James Webb-telescoop die de scherpste waarnemingen vertroebelde.
De James Webb-ruimtetelescoop (JWST) is een van de technisch meest geavanceerde instrumenten ooit gebouwd. Toch had zelfs deze miljardenmissie een onverwachte zwakke plek: een subtiel elektronisch lek in de detector dat de scherpste beelden aantastte. Alle JWST-detectoren hebben er in meer of mindere mate last van, maar de aperture masking interferometer (AMI) van het instrument Niriss werd het zwaarst getroffen.
De AMI-modus is bedoeld om voorbij de scherptelimiet van de telescoopspiegels te kijken, zodat zelfs kleine planeten naast felle sterren zichtbaar worden. Maar in die stand trad een effect op dat charge bleeding heet. „Helder opgelichte pixels lekken een beetje elektrische lading naar hun donkerdere buren”, legt Desdoigts uit. „Daardoor raakt de gevoelige kalibratie verstoord en vervormt het beeld.”
Tot overmaat van ramp bleek al tijdens de bouw dat een onderdeel van het instrument niet perfect was uitgelijnd. Een speciaal masker moest die afwijking corrigeren, maar werd op aarde per ongeluk achterstevoren gemonteerd – waardoor het probleem juist werd verdubbeld. Een klein technisch detail, met grote gevolgen.
Om deze imperfecties te herstellen ontwikkelden Desdoigts en Charles een computermodel dat de telescoop en zijn detector nabootst: een ‘digitale tweeling’. Hun programma, Amigo, combineert klassieke optische simulaties met een neuraal netwerk, een AI-systeem dat patronen leert herkennen. Amigo modelleert hoe elektrische lading zich tussen pixels verspreidt. Het model wordt getraind met kalibratiegegevens van Webb zelf en kan daarna beelden corrigeren alsof het bij de detector meekijkt. „Het blijft een doodgewoon optisch model”, zegt Desdoigts, „maar je krijgt de optimalisatiekracht van AI erbij.”
De resultaten zijn spectaculair. Eerder vervaagde beelden worden plots haarscherp. Bij de ster HD 206893 wist de software een wazig Webb-beeld te verfijnen, zodat twee nabije begeleiders – een kleine ster en een planeet – scherp zichtbaar werden. Nog overtuigender is het resultaat bij Jupiters maan Io: vóór de correctie een fletse bol zonder detail, erna scherp tot in de vulkanische stippen.
Het rekenwerk draaide gewoon op Desdoigts’ eigen game-pc. „Het is verrassend computationeel goedkoop,” zegt hij. „Je hebt geen supercomputer nodig.” Volgens hem laat het project zien dat vooruitgang in de sterrenkunde niet alleen uit hardware komt. „JWST was het perfecte podium om te laten zien dat we niet alleen in een nieuwe generatie hardware zitten, maar ook in een nieuwe generatie software.”
De Amigo-methode is breder toepasbaar, bijvoorbeeld bij de ruimtetelescopen Euclid en de toekomstige Nancy Grace Roman Space Telescope. „Al deze telescopen gebruiken dezelfde detectorhardware”, zegt Desdoigts. Het idee voor het algoritme ontstond tijdens zijn werk aan Toliman, de Australische nanosatelliet die zoekt naar een rotsachtige planeet rond Alpha Centauri. Die missie, gefinancierd door de Breakthrough Initiative, legde de basis voor de methode.
In Leiden richt Desdoigts zich nu ook op telescopen op aarde, waar de atmosfeer het licht voortdurend doet trillen en vervormen. „De ruimte was de ideale plek om te bewijzen dat de methode werkt”, zegt hij, „maar we kunnen dezelfde aanpak ook gebruiken bij telescopen op aarde.” Een eerste toepassing is gepland bij de European Extremely Large Telescope (E-ELT) in Chili, die met een spiegel van veertig meter straks de grootste telescoop ter wereld wordt.
Volgens Jens Kammerer van de Europese Zuidelijke Sterrenwacht (ESO), medeauteur van het onderzoek, is de software van fundamenteel belang. „Amigo verandert alles voor de James Webb-telescoop”, zegt hij. „Tot nu toe kon de AMI-modus haar potentieel niet waarmaken. Amigo lost dat probleem op en maakt het eindelijk mogelijk om jonge gasplaneten dicht bij hun ster waar te nemen – precies waar we denken dat ze ontstaan en het vaakst voorkomen. Daarmee krijgen we toegang tot het grootste deel van de planeetpopulatie en tot hun ontstaansgeschiedenis.”
Desdoigts kijkt vooruit. „Deze methode biedt een totaal nieuwe manier om hardnekkige problemen aan te pakken”, zegt hij. „Ik kan niet wachten om te zien wat slimme collega’s ermee gaan doen.” Als blijvende herinnering aan hun werk lieten Desdoigts en Charles de contouren van het instrument dat ze repareerden op hun onderarmen tatoeëren.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin
NIEUW: Geef dit artikel cadeauAls NRC-abonnee kun je elke maand 10 artikelen cadeau geven aan iemand zonder NRC-abonnement. De ontvanger kan het artikel direct lezen, zonder betaalmuur.
Source: NRC