ジェイムズ・ウェッブの「デジタルツイン」、惑星の検出感度を最大15倍に

Webbのカメラは、すでにその惑星を捉えていた。近傍にある若い恒星の画像の中に写り込んでいたものの、残存する恒星光のもやに埋もれ、こうした画像を処理する標準的な手法では取り出せなかった。James Webb Space Telescopeをソフトウェア上で再構築し、その仮想コピーが予測するまぶしさを差し引く新技術によって、いまやその姿が見えるようになった。

向上幅は大きい。ノースウェスタン大学のロドリゴ・フェレール＝チャベス（Rodrigo Ferrer-Chavez）氏が主導したNature掲載論文によれば、既存のWebb観測にこの手法を適用したところ、天文学者が20年にわたり頼ってきた参照星法と比べ、暗い惑星を2倍から15倍検出しやすくした。Webbのアーカイブには、まだ誰にも見つかっていない世界がすでに収められている可能性があり、地球の双子を撮影するために設計される将来の望遠鏡も、これまで考えられていたほど途方もなく高い安定性を必要としないかもしれない。

復元された惑星は51 Eridani bで、約96光年先にある若いガス巨大惑星だ。地上望遠鏡が初めて撮影したのはおよそ10年前だった。新しいのは波長である。Physics-based Learning for Imaging Planetsの略称であるFLIPと呼ばれる手法は、大気中の二酸化炭素が強く吸収する4.3ミクロンでこの惑星を捉えた。同じWebbデータを使った以前の解析では、何も検出されなかった波長である。

なぜ惑星は目の前にあっても隠れてしまうのか

論文によると、最も明るい若い巨大惑星でさえ、近赤外線では恒星よりおよそ10万倍暗い。観測するため、WebbのNIRCamカメラは恒星の円盤を遮るマスク、コロナグラフを用いる。それでも一部の光はマスクの周囲から漏れ、斑点状のもやとして広がる。そしてそのもやは、内部に位置するどの惑星よりも明るいことが多い。

通常の対策は差し引き処理だ。天文学者は別の恒星を撮影し、その画像をまぶしさのテンプレートとして扱って、対象画像から差し引く。「過去20年間、天文学者は別の恒星を観測し、その画像を参照として使うことでこの問題に取り組んできました」と、ノースウェスタン大学で物理学・天文学の助教を務め、本研究の共著者でもあるジェイソン・ワン（Jason Wang）氏は述べた。

弱点は、2回の撮影の間に望遠鏡が完璧に静止しているわけではないことだ。「わずかな熱変化で、鏡はピコメートル単位で膨張または収縮する可能性があります」とワン氏は話す。Webbの極低温冷却装置のモーターも、鏡を振動させうるという。こうした変化はいずれもまぶしさのパターンを変えるため、テンプレートは完全には一致せず、その残差が暗い惑星を埋もれさせることがある。

手法の仕組み

FLIPは別の恒星からまぶしさを借りる代わりに、それを計算する。研究チームは、Space Telescope Science Instituteが維持するWebbの標準光学モデルSTPSFを出発点とし、ニューラルネットワークの学習用に設計されたプログラミングライブラリPyTorchで再構築した。これによりモデル全体が微分可能になった。ソフトウェアは各パラメーターが最終画像にどう影響するかを算出し、それらすべてを同時に調整できる。

このモデルには、4つの自由パラメーター群がある。恒星の明るさとマスク背後での正確な位置、マスク前の光の歪み、マスク後の歪み、そして検出器の各ピクセルの応答を扱う。最適化では合計およそ100万個のパラメーターを調整し、1回の実行にはNVIDIA A30グラフィックスカード1基で約35分を要する。

モデルはまず参照星で較正されるため、正解に近い状態から始められる。その後、科学画像そのものを用いて調整し、その間に望遠鏡に生じたあらゆる変化を取り込む。「研究者がAIモデルを訓練する際に使うのと同じ計算ツールを使いましたが、実際にAIを使ったわけではありません」とワン氏は言う。「物理はすでに分かっているので、何が起きているのかを理解するためにAIは必要ないのです。」

明らかなリスクは、柔軟なモデルがまぶしさとともに惑星まで消してしまうことだ。これを防ぐため、チームは各画像に人工の惑星を埋め込み、最適化の進行中にそれらがどれほど明瞭に際立つかを追跡した。そして信号が最大値に達するか横ばいになった時点で処理を停止した。同じ人工惑星は、この手法が実際の信号をどれだけ除去してしまうかを測る役割も果たす。

15倍の改善、ただしどこでもではない

チームは、公開済みのWebbデータセット3件でFLIPを試験した。既知の惑星を持つ2つの対象恒星、HIP 65426と51 Eridaniである。3つ目のTYC 5899には既知の伴星はなく、参照星の観測から4か月後に観測された。この長い間隔の間に、望遠鏡の光学系は目に見えてドリフトしていた。

Webbが直接撮像した最初の系外惑星HIP 65426 bでは、KLIPとして知られる標準手法より信号がおよそ1.6倍強く得られた。51 Eridani bでは、やや短い波長で2.1倍強かった。4.3ミクロンでは、この惑星は信号対雑音比6.3で現れ、元の解析では何も見えなかったにもかかわらず、検出の基準となる5シグマを上回った。

最大の改善は、ドリフトのあるデータセットTYC 5899で得られた。そこではFLIPは、恒星から0.5秒角の位置でKLIPより約15倍暗い惑星を、1秒角の位置では約5倍暗い惑星を検出できた。1秒角は、およそ5キロメートル先から見た硬貨の幅に相当する。

このケースは発見という観点で最も重要だ。Webbの多くのサーベイは、数週間または数か月隔てて観測された別の対象を参照星に使っており、論文ではGO 5835とSURVEY 6005のプログラムを含め、この方法で取得された観測が100件を超えると数えている。それらはすべて再処理できる可能性がある。

波長も重要である。二酸化炭素は4.3ミクロンで強く吸収するため、惑星は暗くなる一方で、その大気にどれほど重元素が豊富かを明らかにする。また地球自身の大気がこの光を遮るため、地上望遠鏡では測定できない。先行研究は、51 Eridani bの重元素比が恒星の約5倍であることを示唆しており、新しい画像はそれを検証する手段をもたらす。

この手法で決着しないこと

FLIPが新たな惑星を発見したわけではない。検出した3惑星はいずれも既知であり、TYC 5899のデータに埋め込まれた人工惑星が示すのは、この手法が何を見つけられるかであって、実際に何を見つけたかではない。初めての真の発見があったとしても、独立した検証を通過する必要がある。

この手法は、自らの到達可能な上限にもまだ達していない。完璧な物理モデルなら、光そのものがランダムに到来することによって決まる下限である光子雑音限界に到達するはずだ。FLIPはKLIPよりはるかに近づくが、いずれの観測でもそこには達していない。著者らはさらに、モデルはまだ望遠鏡が実際にどれほどずれたかを誤差範囲付きで報告できず、TYC 5899の視野にある近傍の明るい恒星が、歪んだ形で差し引き後にも残ったとしている。

試験は、WebbのNIRCamという1つの機器、2種類のコロナグラフ、そして少数のフィルターに限られている。データ量がはるかに大きく、乱流のある大気越しに観測する地上望遠鏡は、FLIPがまだ取り組んでいない、より難しい問題である。

将来の望遠鏡がこの手法を必要とする理由

NASAが提案するHabitable Worlds Observatoryは、太陽に似た恒星の周りにある地球型惑星、つまり恒星よりおよそ100億倍暗い惑星を撮影することを目的としている。論文によれば、現在の手法では、そのような望遠鏡は光学系をピコメートル水準で安定させなければならず、これはWebbの100倍から1000倍の安定性にあたる。この要件がミッションの難しさの大部分を生んでいる。

工学的にドリフトを排除するのではなく、ソフトウェアで補正できるなら、その負担の一部は軽くなる。「私たちの太陽系にある惑星のようなものが、ほかの恒星の周りに存在することは、まだ確認されていません」とフェレール＝チャベス氏は述べた。「存在しないからではありません。私たちには見えないのです。」

Webbと系外惑星撮像に関するよくある質問

James Webb望遠鏡はどのように系外惑星を撮影するのか？

WebbはNIRCamおよびMIRIの内部にあるマスク、コロナグラフで恒星の光を遮り、その後ソフトウェアで残ったまぶしさを除去する。残された画像には、惑星が淡い光点として現れることがある。この手法は、形成時の熱によって赤外線でなお輝く、恒星から遠く離れた若く高温の巨大惑星で最もよく機能する。

51 Eridani bとは何か？

これは、エリダヌス座で地球から約96光年離れた恒星51 Eridaniを公転する若いガス巨大惑星である。この系は約2000万年しか経っていないため、惑星は形成時に残った熱で今も輝いている。地上設置機器のGemini Planet Imagerによって発見され、2015年に発表された。

FLIPは人工知能を使ったのか？

訓練済みニューラルネットワークという意味では使っていない。PyTorchライブラリやAdamオプティマイザを含む、AIモデルの学習に使われる最適化ツールを借用しているが、モデル自体は望遠鏡について既知の物理学に基づいて構築されている。

これは地球型惑星の発見に役立つのか？

Webbで直接役立つわけではないが、将来の望遠鏡をより建造しやすくする可能性はある。2040年代の打ち上げが計画されているHabitable Worlds Observatoryは、地球の双子を撮像するために極めて高い安定性を必要とするが、不安定性を補正するソフトウェアがあれば、その要件を緩和できると著者らは主張している。

次に何が起きるのか

この研究は2026年11月4日、Natureに掲載された。チームは新たな4.3ミクロンでの検出を使って、この波長における惑星の明るさを測定し、大気の解析をやり直す予定だ。また、FLIPをWebbの中赤外線装置MIRIと、NASAのNancy Grace Roman Space Telescopeへ拡張したいとしている。Gaiaミッションが広い軌道を回る数千の巨大惑星を明らかにすると見込まれるなか、より鋭い目を向けるべき標的には事欠かないだろう。

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

タグ: 天文学, James Webb Space Telescope, 系外惑星, 51 Eridani b, NIRCam, Northwestern University