Ein digitaler Zwilling von James Webb macht Planeten bis zu 15-mal besser sichtbar

Webbs Kameras hatten den Planeten bereits eingefangen. Er saß in Aufnahmen eines jungen nahen Sterns, begraben unter einem Schleier aus übrig gebliebenem Sternenlicht, und die übliche Methode, solche Bilder zu reinigen, konnte ihn nicht herauslösen. Eine neue Technik, die das James-Webb-Weltraumteleskop in Software nachbaut und dann die Blendung abzieht, die diese virtuelle Kopie vorhersagt, hat ihn nun sichtbar gemacht.

Der Gewinn ist groß. Angewandt auf bestehende Webb-Beobachtungen machte die Methode schwache Planeten zwischen zwei- und fünfzehnmal leichter nachweisbar als die Referenzstern-Technik, auf die Astronomen seit zwei Jahrzehnten vertrauen, so eine Studie im Fachblatt Nature unter der Leitung von Rodrigo Ferrer-Chavez von der Northwestern University. Webbs Archiv könnte bereits Welten enthalten, die niemand gesehen hat, und künftige Teleskope, die gebaut werden, um einen Erdzwilling zu fotografieren, müssten möglicherweise nicht ganz so außergewöhnlich stabil sein.

Der wiedergefundene Planet ist 51 Eridani b, ein junger Gasriese etwa 96 Lichtjahre entfernt, den erdgebundene Teleskope vor rund einem Jahrzehnt erstmals fotografierten. Neu ist die Wellenlänge. Die Methode namens FLIP, kurz für Physics-based Learning for Imaging Planets, fing den Planeten bei 4,3 Mikrometern ein, wo Kohlendioxid in seiner Atmosphäre stark absorbiert und wo eine frühere Analyse genau derselben Webb-Daten leer ausgegangen war.

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Warum ein Planet sich direkt vor den Augen verstecken kann

Selbst die hellsten jungen Riesenplaneten sind im nahen Infrarotlicht etwa 100.000 Mal schwächer als ihre Sterne, so die Studie. Um einen zu sehen, verwendet Webbs NIRCam-Kamera einen Koronografen, eine Maske, die die Sternscheibe blockiert. Etwas Licht tritt dennoch um sie herum aus und breitet sich zu einem gesprenkelten Schleier aus, und dieser Schleier ist oft heller als jeder Planet, der darin sitzt.

Die übliche Lösung ist die Subtraktion. Astronomen fotografieren einen zweiten Stern, behandeln dieses Bild als eine Vorlage der Blendung und subtrahieren sie vom Zielobjekt. „Seit 20 Jahren gehen Astronomen dieses Problem an, indem sie einen anderen Stern beobachten und dessen Bild als Referenz verwenden“, sagte Jason Wang, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Northwestern University und Koautor der Studie.

Die Schwäche ist, dass das Teleskop zwischen den beiden Aufnahmen nie vollkommen stillsteht. „Kleine thermische Veränderungen könnten dazu führen, dass sich ein Spiegel um einen Pikometer ausdehnt oder zusammenzieht“, sagte Wang und fügte hinzu, dass die Motoren in Webbs Kryokühlern die Spiegel zum Vibrieren bringen können. Jede Veränderung verändert das Blendungsmuster, sodass die Vorlage nie genau passt, und der Rückstand kann einen schwachen Planeten begraben.

Wie sie es gemacht haben

Anstatt die Blendung von einem anderen Stern zu borgen, berechnet FLIP sie. Das Team begann mit STPSF, dem standardmäßigen optischen Modell von Webb, das vom Space Telescope Science Institute betreut wird, und baute es in PyTorch nach, einer Programmierbibliothek, die für das Training neuronaler Netze entwickelt wurde. Dadurch wurde das gesamte Modell differenzierbar: Die Software kann herausfinden, wie jeder Parameter das endgültige Bild beeinflusst, und alle gleichzeitig anpassen.

Das Modell hat vier Gruppen freier Parameter. Sie decken die Helligkeit des Sterns und seine genaue Position hinter der Maske ab, die Verzerrungen des Lichts vor der Maske, die Verzerrungen danach und die Reaktion jedes Detektorpixels. Insgesamt stimmt die Optimierung etwa eine Million Parameter ab, und ein Durchlauf dauert etwa 35 Minuten auf einer einzelnen NVIDIA A30-Grafikkarte.

Das Modell wird zunächst an einem Referenzstern kalibriert, sodass es nahe an der richtigen Antwort startet, und dann am wissenschaftlichen Bild selbst verfeinert, um aufzunehmen, was das Teleskop dazwischen verändert hat. „Wir haben dieselben Rechenwerkzeuge verwendet, die Forscher zum Trainieren von KI-Modellen nutzen, aber wir haben tatsächlich keine KI eingesetzt“, sagte Wang. „Weil wir die Physik bereits kennen, brauchen wir keine KI, um zu verstehen, was passiert.“

Das offensichtliche Risiko ist, dass ein flexibles Modell lernt, den Planeten zusammen mit der Blendung zu löschen. Um dagegen vorzubeugen, pflanzte das Team in jedes Bild künstliche Planeten ein und verfolgte, wie deutlich sie hervortraten, während die Optimierung lief, und stoppte sie, sobald ihr Signal seinen Höhepunkt erreichte oder sich einpendelte. Dieselben eingepflanzten Planeten messen auch, wie viel echtes Signal die Methode entfernt.

Fünfzehnmal besser, aber nicht überall

Das Team testete FLIP an drei veröffentlichten Webb-Datensätzen. Zwei Zielsterne mit bekannten Planeten, HIP 65426 und 51 Eridani. Der dritte, TYC 5899, hat keine bekannten Begleiter und wurde vier Monate nach seinen Referenzsternen beobachtet, eine große Lücke, in der die Optik des Teleskops merklich driftete.

Bei HIP 65426 b, dem ersten Exoplaneten, den Webb direkt abbildete, war das Signal etwa 1,6-mal stärker als mit der Standardmethode, bekannt als KLIP. Bei 51 Eridani b bei einer etwas kürzeren Wellenlänge war es 2,1-mal stärker. Bei 4,3 Mikrometern erschien der Planet mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 6,3 und überschritt damit die Fünf-Sigma-Hürde für einen Nachweis, wo die ursprüngliche Analyse nichts sah.

Die größte Verbesserung ergab sich bei TYC 5899, dem driftenden Datensatz. Dort konnte FLIP Planeten etwa 15-mal schwächer erkennen als KLIP bei einer halben Bogensekunde Abstand vom Stern und etwa fünfmal schwächer bei einer Bogensekunde. Eine Bogensekunde entspricht ungefähr der Breite einer Münze, die man aus etwa fünf Kilometern Entfernung sieht.

Dieser Fall ist für die Entdeckung am wichtigsten. Viele Webb-Durchmusterungen verwenden andere Ziele, die Wochen oder Monate zuvor beobachtet wurden, als ihre Referenzsterne, und die Studie zählt mehr als 100 auf diese Weise aufgenommene Beobachtungen, darunter die Programme GO 5835 und SURVEY 6005. Alle könnten neu verarbeitet werden.

Die Wellenlänge spielt ebenfalls eine Rolle. Kohlendioxid absorbiert bei 4,3 Mikrometern stark, was einen Planeten zwar schwächt, aber verrät, wie reich seine Atmosphäre an schweren Elementen ist, und die Erdatmosphäre blockiert dieses Licht, sodass kein erdgebundenes Teleskop es messen kann. Frühere Arbeiten deuteten darauf hin, dass 51 Eridani b etwa den fünffachen Anteil schwerer Elemente seines Sterns besitzt; das neue Bild bietet eine Möglichkeit, dies zu überprüfen.

Was die Methode nicht klärt

FLIP hat keinen neuen Planeten entdeckt. Alle drei Planeten, die es nachwies, waren bereits bekannt, und die in die TYC-5899-Daten eingepflanzten künstlichen Planeten zeigen, was die Methode finden könnte, nicht was sie gefunden hat. Die erste echte Entdeckung, falls eine kommt, muss unabhängige Überprüfungen überstehen.

Die Methode bleibt auch hinter ihrer eigenen Obergrenze zurück. Ein perfektes physikalisches Modell würde die Photonenrauschgrenze erreichen, die durch das zufällige Eintreffen des Lichts selbst gesetzte Untergrenze. FLIP kommt ihr viel näher als KLIP, erreicht sie aber bei keiner der Beobachtungen. Die Autoren fügen hinzu, dass ihr Modell noch nicht mit Fehlerbalken angeben kann, wie stark sich das Teleskop tatsächlich verschoben hat, und dass ein heller naher Stern im TYC-5899-Feld die Subtraktion in verzerrter Form überlebte.

Die Tests decken auch nur ein Instrument ab, Webbs NIRCam, mit zwei Arten von Koronografen und einer Handvoll Filtern. Erdbundene Teleskope mit weitaus größeren Datenmengen und einer turbulenten Atmosphäre, durch die sie blicken müssen, sind ein schwierigeres Problem, das FLIP noch nicht angegangen ist.

Warum ein künftiges Teleskop das betrifft

Das von der NASA vorgeschlagene Habitable Worlds Observatory soll erdähnliche Planeten um sonnenähnliche Sterne fotografieren, Planeten, die etwa zehn Milliarden Mal schwächer sind als ihr Stern. Mit dem heutigen Ansatz, so die Studie, müsste ein solches Teleskop seine Optik auf Pikometer-Niveau stabil halten, 100- bis 1.000-mal stabiler als Webb, und diese Anforderung macht einen Großteil der Schwierigkeit der Mission aus.

Wenn Software Drift korrigieren kann, anstatt sie wegzukonstruieren, wird ein Teil dieser Last leichter. „Wir kennen keine Planeten um andere Sterne, die denen in unserem eigenen Sonnensystem gleichen“, sagte Ferrer-Chavez. „Nicht, dass es sie nicht gäbe. Sondern dass wir sie nicht sehen können.“

Häufige Fragen zu Webb und der Abbildung von Exoplaneten

Wie fotografiert das James-Webb-Teleskop Exoplaneten?

Webb blockt das Licht eines Sterns mit einem Koronografen, einer Maske in seinen NIRCam- und MIRI-Instrumenten, und entfernt dann die übrig gebliebene Blendung in Software. Was übrig bleibt, kann einen Planeten als schwachen Lichtpunkt zeigen. Es funktioniert am besten für junge, heiße Riesenplaneten weit entfernt von ihren Sternen, die im Infrarotlicht noch glühen.

Was ist 51 Eridani b?

Es ist ein junger Gasriese, der den Stern 51 Eridani umkreist, etwa 96 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Eridanus. Das System ist etwa 20 Millionen Jahre alt, sodass der Planet noch mit der Wärme glüht, die von seiner Entstehung übrig ist. Er wurde mit dem Gemini Planet Imager, einem erdgebundenen Instrument, entdeckt und 2015 bekannt gegeben.

Hat FLIP künstliche Intelligenz verwendet?

Nicht im Sinne eines trainierten neuronalen Netzes. Es leiht sich die Optimierungswerkzeuge, die zum Trainieren von KI-Modellen verwendet werden, darunter die PyTorch-Bibliothek und der Adam-Optimierer, aber das Modell selbst ist aus der bekannten Physik des Teleskops aufgebaut.

Könnte dies helfen, einen erdähnlichen Planeten zu finden?

Nicht direkt mit Webb, aber es könnte den Bau künftiger Teleskope erleichtern. Das Habitable Worlds Observatory, dessen Start für die 2040er Jahre geplant ist, muss extrem stabil sein, um Erdzwillinge abzubilden, und Software, die Instabilitäten korrigiert, könnte diese Anforderung lockern, argumentieren die Autoren.

Was als Nächstes kommt

Die Studie wurde am 4. November 2026 in Nature veröffentlicht. Das Team wird den neuen 4,3-Mikrometer-Nachweis nutzen, um die Helligkeit des Planeten bei dieser Wellenlänge zu messen und die Analyse seiner Atmosphäre zu wiederholen, und möchte FLIP auf MIRI, Webbs Mittelinfrarot-Instrument, und auf das Nancy Grace Roman Space Telescope der NASA ausweiten. Da die Gaia-Mission voraussichtlich Tausende von Riesenplaneten auf weiten Umlaufbahnen enthüllen wird, wird es nicht an Zielen für ein schärferes Auge mangeln.

Referenz: Ferrer-Chavez et al., „Imaging exoplanets below the telescope stability limit,“ Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11213-z

Schlagwörter: Astronomie, James Webb Space Telescope, Exoplaneten, 51 Eridani b, Direkte Abbildung, NIRCam

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