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.”

Achterstevoren gemonteerd

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.

Trillen en vervormen

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.