Bản sao số của kính James Webb giúp nhìn thấy hành tinh dễ hơn tới 15 lần

Máy ảnh của Webb đã từng ghi lại hành tinh này. Nó nằm trong các ảnh chụp một ngôi sao trẻ ở gần, bị vùi lấp dưới màn chói của ánh sao còn sót lại, và cách làm sạch ảnh tiêu chuẩn không thể kéo nó ra. Một kỹ thuật mới tái dựng Kính viễn vọng Không gian James Webb trong phần mềm, rồi trừ đi ánh lóa mà bản sao ảo này dự đoán, nay đã khiến nó hiện rõ.

Mức cải thiện rất lớn. Khi áp dụng lên các quan sát Webb sẵn có, phương pháp này giúp phát hiện các hành tinh mờ dễ hơn từ hai đến mười lăm lần so với kỹ thuật dùng sao tham chiếu mà các nhà thiên văn đã dựa vào suốt hai thập kỷ, theo một bài báo trên Nature do Rodrigo Ferrer-Chavez của Đại học Northwestern dẫn dắt. Kho lưu trữ của Webb có thể đã chứa những thế giới chưa ai từng thấy, và các kính thiên văn tương lai được chế tạo để chụp một bản sao của Trái Đất có lẽ sẽ không cần ổn định một cách phi thường đến vậy.

Hành tinh được phục hồi là 51 Eridani b, một hành tinh khí khổng lồ trẻ cách khoảng 96 năm ánh sáng, lần đầu được các kính thiên văn mặt đất chụp ảnh vào khoảng một thập kỷ trước. Điều mới mẻ là bước sóng. Phương pháp mang tên FLIP, viết tắt của Physics-based Learning for Imaging Planets, đã ghi nhận hành tinh ở 4,3 micron, nơi carbon dioxide trong khí quyển của nó hấp thụ mạnh và nơi một phân tích trước đó trên chính dữ liệu Webb này không tìm thấy gì.

Vì sao một hành tinh có thể ẩn mình ngay trước mắt

Bài báo lưu ý rằng ngay cả các hành tinh khí khổng lồ trẻ sáng nhất cũng mờ hơn ngôi sao của chúng khoảng 100.000 lần ở ánh sáng cận hồng ngoại. Để nhìn thấy chúng, máy ảnh NIRCam của Webb sử dụng vành nhật thực nhân tạo, một mặt nạ che đĩa sao. Một phần ánh sáng vẫn rò rỉ quanh nó và lan thành màn mờ lốm đốm, và màn mờ ấy thường sáng hơn bất kỳ hành tinh nào nằm bên trong.

Giải pháp thông thường là phép trừ. Các nhà thiên văn chụp một ngôi sao thứ hai, xem ảnh đó như khuôn mẫu của ánh lóa rồi trừ nó khỏi ảnh mục tiêu. Jason Wang, trợ lý giáo sư vật lý và thiên văn học tại Northwestern đồng thời là đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Trong 20 năm qua, các nhà thiên văn đã xử lý vấn đề này bằng cách quan sát một ngôi sao khác và dùng ảnh của nó làm ảnh tham chiếu.”

Điểm yếu nằm ở chỗ kính thiên văn không bao giờ đứng yên hoàn hảo giữa hai lần chụp. Wang nói: “Những thay đổi nhiệt nhỏ có thể khiến một gương giãn nở hoặc co lại chỉ một picomet,” đồng thời cho biết động cơ trong các bộ làm lạnh đông sâu của Webb có thể làm những chiếc gương rung lên. Mỗi thay đổi đều làm biến đổi dạng ánh lóa, khiến khuôn mẫu không bao giờ khớp hoàn toàn, còn phần dư có thể vùi lấp một hành tinh mờ.

Họ đã thực hiện như thế nào

Thay vì mượn ánh lóa từ một ngôi sao khác, FLIP tính toán nó. Nhóm bắt đầu với STPSF, mô hình quang học chuẩn của Webb do Space Telescope Science Institute duy trì, rồi tái dựng nó trong PyTorch, một thư viện lập trình được thiết kế để huấn luyện mạng nơ-ron. Điều đó khiến toàn bộ mô hình có thể vi phân: phần mềm có thể xác định mỗi tham số tác động thế nào đến ảnh cuối cùng và điều chỉnh tất cả chúng cùng lúc.

Mô hình có bốn nhóm tham số tự do. Chúng bao gồm độ sáng của ngôi sao và vị trí chính xác của nó phía sau mặt nạ, các biến dạng của ánh sáng trước mặt nạ, các biến dạng sau mặt nạ và phản hồi của từng điểm ảnh trên đầu dò. Tổng cộng, quá trình tối ưu hóa tinh chỉnh khoảng một triệu tham số, và một lần chạy mất khoảng 35 phút trên một card đồ họa NVIDIA A30.

Mô hình trước hết được hiệu chuẩn trên một ngôi sao tham chiếu, để khởi đầu ở gần đáp án đúng, rồi được tinh chỉnh trên chính ảnh khoa học nhằm hấp thụ mọi thay đổi của kính thiên văn trong khoảng thời gian giữa hai lần quan sát. Wang nói: “Chúng tôi dùng chính các công cụ tính toán mà các nhà nghiên cứu dùng để huấn luyện mô hình AI, nhưng thực tế không dùng AI. Bởi chúng tôi đã biết vật lý, chúng tôi không cần AI để hiểu chuyện gì đang diễn ra.”

Rủi ro hiển nhiên là một mô hình linh hoạt sẽ học cách xóa cả hành tinh lẫn ánh lóa. Để phòng ngừa điều đó, nhóm đã cấy các hành tinh giả vào từng ảnh và theo dõi mức độ chúng nổi bật rõ ràng ra sao khi quá trình tối ưu hóa diễn ra, dừng lại khi tín hiệu đạt đỉnh hoặc chững lại. Các hành tinh được cấy này cũng đo lường lượng tín hiệu thực mà phương pháp loại bỏ.

Tốt hơn mười lăm lần, nhưng không phải ở mọi nơi

Nhóm đã thử nghiệm FLIP trên ba bộ dữ liệu Webb đã công bố. Hai ngôi sao mục tiêu có các hành tinh đã biết là HIP 65426 và 51 Eridani. Đối tượng thứ ba, TYC 5899, không có thiên thể đồng hành nào được biết đến và được quan sát bốn tháng sau các sao tham chiếu của nó, một khoảng cách dài trong đó quang học của kính thiên văn trôi dạt đáng kể.

Với HIP 65426 b, ngoại hành tinh đầu tiên Webb chụp ảnh trực tiếp, tín hiệu mạnh hơn khoảng 1,6 lần so với phương pháp chuẩn mang tên KLIP. Với 51 Eridani b ở một bước sóng ngắn hơn đôi chút, tín hiệu mạnh hơn 2,1 lần. Ở 4,3 micron, hành tinh xuất hiện với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là 6,3, vượt ngưỡng năm sigma để được xem là phát hiện, trong khi phân tích ban đầu không thấy gì.

Cải thiện lớn nhất xuất hiện ở TYC 5899, bộ dữ liệu bị trôi dạt. Tại đây, FLIP có thể phát hiện các hành tinh mờ hơn khoảng 15 lần so với KLIP ở khoảng cách nửa giây cung tính từ ngôi sao, và mờ hơn khoảng năm lần ở một giây cung. Một giây cung xấp xỉ bề rộng của một đồng xu khi nhìn từ khoảng năm kilômét.

Trường hợp này quan trọng nhất đối với việc khám phá. Nhiều khảo sát của Webb sử dụng các mục tiêu khác được quan sát cách nhau nhiều tuần hoặc nhiều tháng làm sao tham chiếu, và bài báo thống kê hơn 100 quan sát được thực hiện theo cách này, bao gồm các chương trình GO 5835 và SURVEY 6005. Tất cả đều có thể được xử lý lại.

Bước sóng cũng quan trọng. Carbon dioxide hấp thụ mạnh ở 4,3 micron, khiến hành tinh mờ đi nhưng cho thấy khí quyển của nó giàu các nguyên tố nặng đến mức nào, còn khí quyển Trái Đất chặn ánh sáng này, vì vậy không kính thiên văn mặt đất nào có thể đo nó. Các nghiên cứu trước đây cho rằng 51 Eridani b chứa tỷ phần nguyên tố nặng cao gấp khoảng năm lần ngôi sao của nó; ảnh mới đem lại một cách để kiểm chứng điều đó.

Những điều phương pháp này chưa giải quyết được

FLIP không phát hiện một hành tinh mới. Cả ba hành tinh mà nó phát hiện đều đã được biết đến, còn các hành tinh giả được cấy trong dữ liệu TYC 5899 cho thấy phương pháp có thể tìm thấy gì, chứ không phải nó đã tìm thấy gì. Phát hiện thực sự đầu tiên, nếu có, sẽ cần vượt qua các kiểm tra độc lập.

Phương pháp này cũng chưa đạt tới trần năng lực của chính nó. Một mô hình vật lý hoàn hảo sẽ đạt giới hạn nhiễu photon, mức sàn do sự đến ngẫu nhiên của chính ánh sáng đặt ra. FLIP tiến gần giới hạn đó hơn nhiều so với KLIP nhưng không đạt được nó ở bất kỳ quan sát nào. Các tác giả cũng cho biết mô hình của họ hiện chưa thể báo cáo, kèm theo sai số, kính thiên văn thực sự đã dịch chuyển bao nhiêu, và một ngôi sao sáng gần đó trong trường quan sát TYC 5899 vẫn còn sau phép trừ dưới dạng méo dạng.

Các thử nghiệm cũng chỉ bao phủ một thiết bị, NIRCam của Webb, với hai loại vành nhật thực nhân tạo và một số ít bộ lọc. Các kính thiên văn mặt đất, với khối lượng dữ liệu lớn hơn nhiều và bầu khí quyển nhiễu loạn phải quan sát xuyên qua, là một bài toán khó hơn mà FLIP chưa xử lý.

Vì sao một kính thiên văn tương lai cần quan tâm

Habitable Worlds Observatory do NASA đề xuất được thiết kế để chụp ảnh các hành tinh giống Trái Đất quanh những ngôi sao giống Mặt Trời, các hành tinh mờ hơn ngôi sao của chúng khoảng mười tỷ lần. Với cách tiếp cận hiện nay, bài báo cho biết một kính thiên văn như vậy phải giữ hệ quang học ổn định ở cấp độ picomet, ổn định hơn Webb từ 100 đến 1.000 lần, và yêu cầu ấy tạo nên phần lớn khó khăn của sứ mệnh.

Nếu phần mềm có thể hiệu chỉnh độ trôi thay vì loại bỏ nó bằng kỹ thuật chế tạo, một phần gánh nặng đó sẽ được giảm đi. Ferrer-Chavez nói: “Chúng tôi không biết bất kỳ hành tinh nào quanh các ngôi sao khác giống những hành tinh trong Hệ Mặt Trời của chúng ta. Không phải chúng không tồn tại. Mà là chúng ta không thể nhìn thấy chúng.”

Những câu hỏi thường gặp về Webb và chụp ảnh ngoại hành tinh

Kính viễn vọng James Webb chụp ảnh ngoại hành tinh như thế nào?

Webb chặn ánh sáng của một ngôi sao bằng vành nhật thực nhân tạo, một mặt nạ bên trong các thiết bị NIRCam và MIRI, rồi loại bỏ ánh lóa còn lại bằng phần mềm. Phần còn lại có thể cho thấy một hành tinh như một điểm sáng mờ. Cách này hiệu quả nhất với các hành tinh khí khổng lồ trẻ, nóng và ở xa ngôi sao chủ, vốn vẫn phát sáng trong ánh sáng hồng ngoại.

51 Eridani b là gì?

Đó là một hành tinh khí khổng lồ trẻ quay quanh ngôi sao 51 Eridani, cách Trái Đất khoảng 96 năm ánh sáng trong chòm sao Eridanus. Hệ này khoảng 20 triệu năm tuổi, nên hành tinh vẫn phát sáng nhờ nhiệt còn lại từ quá trình hình thành. Nó được phát hiện bằng Gemini Planet Imager, một thiết bị đặt trên mặt đất, và được công bố vào năm 2015.

FLIP có dùng trí tuệ nhân tạo không?

Không theo nghĩa một mạng nơ-ron đã được huấn luyện. Nó mượn các công cụ tối ưu hóa dùng để huấn luyện mô hình AI, bao gồm thư viện PyTorch và bộ tối ưu Adam, nhưng bản thân mô hình được xây dựng từ vật lý đã biết của kính thiên văn.

Điều này có thể giúp tìm một hành tinh giống Trái Đất không?

Không phải trực tiếp với Webb, nhưng nó có thể khiến các kính thiên văn tương lai dễ chế tạo hơn. Habitable Worlds Observatory, dự kiến phóng trong thập niên 2040, phải cực kỳ ổn định để chụp ảnh các bản sao Trái Đất, và phần mềm hiệu chỉnh những bất ổn có thể nới lỏng yêu cầu đó, các tác giả lập luận.

Điều gì sẽ diễn ra tiếp theo

Nghiên cứu được công bố trên Nature vào ngày 4 tháng 11 năm 2026. Nhóm sẽ dùng phát hiện mới ở bước sóng 4,3 micron để đo độ sáng của hành tinh tại bước sóng đó và làm lại phân tích khí quyển của nó, đồng thời muốn mở rộng FLIP sang MIRI, thiết bị hồng ngoại trung của Webb, và Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman của NASA. Khi sứ mệnh Gaia được kỳ vọng sẽ phát hiện hàng nghìn hành tinh khổng lồ trên các quỹ đạo rộng, sẽ không thiếu mục tiêu cho một con mắt sắc bén hơn.

Tài liệu tham khảo: Ferrer-Chavez et al., “Imaging exoplanets below the telescope stability limit,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11213-z

Thẻ: thiên văn học, James Webb Space Telescope, ngoại hành tinh, 51 Eridani b, chụp ảnh trực tiếp, NIRCam