Australisch PhD‑team gebruikt AI om de helderheid van James Webb te herstellen

Het heelal is diep en uitgestrekt. Het is spookachtig mooi en vol mysterie. Het begrijpen van dit universum is de sleutel tot het begrijpen van onze eigen oorsprong en onze plaats daarin.

Om dit te bereiken hebben wetenschappers de James Webb Space Telescope (JWST) gebouwd, een krachtig instrument ontworpen om licht van de eerste sterrenstelsels op te vangen en te onthullen hoe onze wereld tot stand kwam. Het is de grootste telescoop in de ruimte, waardoor de studie van astronomische objecten met infraroodstraling mogelijk is.

Deze vorm van licht heeft langere golflengten dan zichtbaar licht, en kan door kosmische stofwolken dringen die zichtbaar licht blokkeren. En omdat Webb langere golflengten observeert, heeft het een groot verzameloppervlak nodig om een hoge resolutie te bereiken.

De hoofds spiegel van Webb bestaat uit 18 zeshoekige spiegelsegmenten van goudgeplateerd beryllium, die een spiegel van 6,5 meter diameter vormen. Deze grote spiegel, gecombineerd met instrumenten met hoge resolutie en hoge gevoeligheid, stelt Webb in staat om objecten te detecteren die veel verder weg liggen dan eerdere ruimtetelescopen konden.

Om deze waarnemingen mogelijk te maken, moet Webb op extreem lage temperaturen worden gehouden, onder 50 K (−370 °F; −223 °C). Dit voorkomt dat de eigen warmte van de telescoop interfereert met de zwakke infraroodsignalen die hij probeert op te vangen. Een meerlagig zonneschild beschermt de telescoop tegen externe warmtebronnen zoals de Zon, de Maan en de Aarde.

Met deze krachtige instrumenten heeft Webb onderzoek mogelijk gemaakt op verschillende gebieden van astronomie en kosmologie, waaronder de waarneming van de eerste sterren, de vorming van de eerste sterrenstelsels, en gedetailleerde atmosferische studies van potentieel bewoonbare exoplaneten.

Echter, sommige recente beelden van Webb waren nogal wazig door vervormingen in een van de belangrijkste instrumenten. Om dit probleem op te lossen, grepen twee PhD‑onderzoekers aan de Universiteit van Sydney, Max Charles en Louis Desdoigts, naar AI. Indrukwekkend is dat ze dit vanaf de aarde deden zonder enige hardware‑gerelateerde wijzigingen.

Maar waarom is dit belangrijk? Wat heeft Webb daar gevonden waardoor scherpere beelden zo cruciaal zijn? Laten we eens kijken.

James Webb Space Telescope: Verrassingen uit het vroege universum

Sinds de ingebruikname heeft Webb sterrenstelsels met een complexe structuur en zwarte gaten gevonden toen het universum nog zeer jong was, wat onze kennis uitdaagt over hoe snel de eerste sterrenstelsels konden vormen en groeien.

Webb heeft onthuld duidelijke atmosferische signaturen—waaronder methaan, kooldioxide, zwaveldioxide, ammoniak en zelfs waterstofsulfide—op meerdere werelden. Sommige van deze moleculen hadden voor JWST slechts voorlopig bewijs (of helemaal geen); Webb leverde de eerste ondubbelzinnige detecties in verschillende gevallen, waardoor de exoplanetchemie drastisch vooruitging.

De telescoop heeft kenmerken waargenomen zoals de aurora’s van Jupiter en gekarakteriseerde kleine lichamen die ingebed zijn in de asteroïdengordel tussen Jupiter en Mars, wat moeilijk te detecteren is voor andere telescopen, waarmee de flexibiliteit van JWST wordt aangetoond. Verschillende massieve zwarte gaten zijn ook ontdekt door de telescoop.

Met deze en vele andere ontdekkingen levert JWST wat het beloofde. Het laat ons zien dat het vroege universum veel actiever en complexer is dan we dachten. Zijn kracht helpt ons bovendien verder te gaan dan onze eigen melkweg en zonnestelsel, met meer gedetailleerde en nauwkeurige inzichten in de aard van het heelal.

Onlangs hebben astronomen opgemerkt¹ “een van de meest raadselachtige ontdekkingen” tot nu toe tijdens het doorlopen van de beelden van Webb.

Deze zeer heldere en raadselachtige objecten zouden het vroegst bekende sterrenstelsel in het universum kunnen zijn, ontstaan 100 miljoen jaar na de oerknal, of ze kunnen een bruine dwerg zijn, een mislukte ster, die groter is dan de grootste gasreuzen maar niet groot genoeg om kernfusie in de kern te behouden. De exacte identiteit van Capotauro blijft onzeker, maar het is zeker “interessant en veelbelovend”.

Capotauro werd opgemerkt door een team astrofysici van het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Italië in een eerdere studie, toen ze probeerden oude sterrenstelsels te identificeren in JWST‑waarnemingen. Het gebrek aan fijnmazige gegevens maakte het echter onmogelijk voor hen om de identiteit te specificeren. Maar later dit jaar heeft JWST meer gegevens over Capotauro vrijgegeven, waardoor het team de mogelijke aard kon verfijnen.

Het team gebruikte de beelden genomen door JWST’s Near Infrared Camera (NIRCam) op zeven golflengten om de helderheid van Capotauro te meten en beperkte maar fijnere gegevens van JWST’s Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) om een idee te krijgen van zijn leeftijd en temperatuur.

Gegevens van de NIRCam en NIRSpec werden gecombineerd, en vervolgens werden modellen gebruikt om drie mogelijke configuraties van sterrenstelsels te testen. Een scenario waarin Capotauro een bruine dwerg aan de buitenrand van de Melkweg zou kunnen zijn, werd ook getest, naast een reeks andere mogelijkheden, zoals dat het object een eigenaardig exoplaneet of een zeer vreemd jong sterrenstelsel zou kunnen zijn.

Hoewel de resultaten niet doorslaggevend waren, heeft het team de twee meest waarschijnlijke opties geïdentificeerd.

Een mogelijkheid is dat Capotauro werd gevormd ongeveer 100 miljoen jaar na de oerknal, wat de leeftijd van het oudst bekende sterrenstelsel met ongeveer 200 miljoen jaar terugduwt. De andere mogelijkheid is dat Capotauro een ongebruikelijke bruine dwerg is, die de koudste en verste in onze melkweg is.

Beide zijn “zeer opwindende” mogelijkheden, omdat ze zouden uitdagen wat we dachten te weten over onze melkweg en hoe deze evolueert, zei co‑auteur van de studie Giovanni Gandolfi, een astrofysicus bij INAF.

In een andere nieuwe waarneming met JWST hebben astronomen vijf koolstofgebaseerde complexe verbindingen² ontdekt die gevangen zitten in het ijs rond een ster buiten de Melkweg.

De organische moleculen zijn gedetecteerd rond een protoster in een dwergstelsel, de Grote Magellanicuswolk, die 160.000 lichtjaar van de Aarde verwijderd is en dicht om onze melkweg draait. Dit kleine stelsel zit vol met hete, heldere sterren en heeft minder elementen zwaarder dan helium dan de Melkweg. Door dit stelsel te begrijpen, willen de astronomen die kennis toepassen op het begrijpen van meer verre sterrenstelsels uit een tijd waarin het universum veel jonger was.

“De barre omstandigheden vertellen ons meer over hoe complexe organische chemie kan plaatsvinden in deze primitieve omgevingen waar veel minder zware elementen zoals koolstof, stikstof en zuurstof beschikbaar zijn voor chemische reacties.”

– Studie co‑auteur Marta Sewilo, een astronoom aan de University of Maryland en NASA’s Goddard Space Flight Center

De onderzoekers richtten Webb op ST6, een zich ontwikkelende ster in de Grote Magellanicuswolk, en met behulp van instrumenten die infraroodlicht meten, vonden ze de volgende complexe moleculen in het ijs eromheen: methanol, ethanol, acetaldehyde, azijnzuur en methylformiaat.

Hiervan is methanol het enige dat “concluderend gedetecteerd” is in protosterren, wat de nieuwe waarnemingen “uitzonderlijk” maakt.

De onderzoekers vonden zelfs signalen die mogelijk veroorzaakt worden door glycolaldehyde, dat kan reageren met andere moleculen om ribose te vormen, een type suiker dat een belangrijk onderdeel is van ribonucleïnezuur (RNA), essentieel voor leven.

Klik hier om te leren hoe laser & 3D‑printen onze toekomst in de ruimte zal bouwen.

AMIGO: De AI‑calibratie die de NIRISS‑AMI van JWST heeft aangescherpt

Veeg om te scrollen →

Met al deze ontdekkingen van Webb realiseerden twee PhD‑onderzoekers aan de Universiteit van Sydney, Max Charles en Louis Desdoigts, zich dat ze de telescoop nog effectiever konden maken. Hun AI‑gedreven software corrigeerde de onscherpte in Webb’s beelden vanaf de aarde zonder dure ruimte‑reparatiemissies.

Het probleem dat ze oplosten zat in de Aperture Masking Interferometer (AMI), het enige door Australië ontworpen onderdeel van de telescoop. AMI op het NIRISS‑instrument is de infraroodinterferometer met de hoogste resolutie die ooit in de ruimte is geplaatst. Het stelt astronomen in staat om hoge‑resolutiebeelden van sterren en planeten buiten ons zonnestelsel te maken door licht van verschillende delen van Webb’s hoofds spiegel te combineren.

Maar toen de telescoop begon met opereren, werd de prestatie van AMI beïnvloed door elektronische vervormingen in de detector van de infraroodcamera. Met ladingsmigratie, of het Brighter‑Fat­ter Effect, dat de prestatie van AMI beperkt, leden de door de telescoop vastgelegde beelden aan subtiele onscherpte.

Ruimtetelescopen hebben eerder soortgelijke optische gebreken ondervonden. Hubble had een vergelijkbaar probleem in de jaren 90 door een lensafstandsfout. Zijn hoofds spiegel had de verkeerde vorm, een fout genaamd sferische aberratie, waardoor de primaire spiegel van de telescoop meer dan één brandpunt had, wat de beelden onscherp maakte.

Om de onscherpe data scherp te stellen, ontwierp NASA de Wide Field and Planetary Camera 2 (WFPC2) opnieuw en ontwikkelde het Hubble’s Corrective Optics Space Telescope Axial Replacement (COSTAR) instrumentpakket, dat zo groot was als een grote koelkast en functioneerde als een bril voor Hubble’s Faint Object Camera (FOC), Goddard High Resolution Spectrograph (GHRS) en de Faint Object Spectrograph (FOS). Zowel WFPC2 als COSTAR werden geïnstalleerd door astronauten tijdens Hubble’s eerste onderhoudsmissie eind 1993.

Deze keer, in plaats van astronauten te sturen voor fysieke reparaties, creëerden de onderzoekers hier op aarde een softwaregebaseerde calibratiemethode. Charles en Desdoigts (die nu postdoctoraal onderzoeker is aan de Universiteit Leiden in Nederland) ontwikkelden wat zij Aperture Masking Interferometry Generative Observations, of AMIGO³ noemden.

AMIGO is een open‑source calibratiekader “dat het volledige JWST AMI‑systeem forward‑modellert – inclusief de optiek, detectorfysica en uitleselektronica – met behulp van een end‑to‑end differentieerbare architectuur geïmplementeerd in het Jax‑framework en met name gebruikmakend van het dLux optische modelleringspakket.”

Het maakt gebruik van neurale netwerken en geavanceerde simulaties om na te bootsen hoe Webb’s optiek en elektronica functioneren in de ruimte. Om hun algoritmen te ontwerpen om de beelden digitaal te corrigeren, identificeerden de onderzoekers het probleem waarbij elektrische lading zich verspreidt naar aangrenzende pixels.

Op deze manier “hebben ze het met code opgelost” in plaats van “astronauten te sturen om nieuwe onderdelen te bevestigen,” zei professor Peter Tuthill van de School of Physics van de Universiteit van Sydney en het Sydney Institute for Astronomy, die AMI heeft gecreëerd en aan de oplossing heeft gewerkt. “Het is een briljant voorbeeld van hoe Australische innovatie een wereldwijde impact kan hebben op de ruimtewetenschap.”

Met de hulp van AMIGO leverde Webb heldere en scherpere beelden, waarbij obscure hemelobjecten in nauwkeurig detail werden vastgelegd.

Om te testen hoe effectief AMIGO is, leidde Charles⁴ een aparte studie, waarbij, met behulp van de verbeterde calibratie, Webb heldere beelden produceerde van vulkanen op de maan Io van Jupiter, een zwart gat‑jet, en de stofgevulde winden van WR 137.

“Dit werk brengt de visie van JWST nog scherper in beeld,” zei Dr. Desdoigts. “Het is ongelooflijk bevredigend om te zien hoe een softwareoplossing het wetenschappelijke bereik van de telescoop vergroot – en te weten dat dit mogelijk was zonder ooit het laboratorium te verlaten.”

Investeren in ruimtetechnologie

In het domein van ruimtetechnologie is Northrop Grumman (NOC ) de toonaangevende naam, die de hoofdcontractant was voor de James Webb Space Telescope.

Naast het helpen bouwen van JWST heeft het bedrijf vele andere belangrijke ruimtetechnologieën ontwikkeld, waaronder het Cygnus‑ruimteschip, een vrachtvoorraadvoertuig voor het International Space Station (ISS), de Antares‑raket voor Cygnus‑missies, de luchtgelanceerde Pegasus‑raket, het Mission Extension Vehicle (MEV) om aan satellieten te koppelen en hun operationele levensduur te verlengen, en HALO voor het Artemis‑programma.

Als een lucht‑ en ruimtevaart‑ en defensietechnologiebedrijf ontwikkelt Northrop Grumman ook militaire vliegtuigsysteem, geavanceerde tactische wapens en raketafweersystemen voor Amerikaanse overheidsinstanties en internationale klanten. Bovendien levert het command‑, control‑, communicatie‑ en verkenningssystemen.

Recentelijk heeft het bedrijf een overeenkomst getekend met AI‑startup Luminary Cloud voor versnelde, AI‑ondersteunde ruimtevaartuigontwerp. 

De startup heeft een AI‑model ontwikkeld, aangedreven door NVIDIA’s PhysicsNeMo, voor de defensiecontractant om sneller nieuwe ruimtevaartuigen te ontwerpen en te bouwen. Met het partnerschap krijgen ingenieurs toegang tot dit speciaal gebouwde hulpmiddel genaamd Physics AI dat in enkele seconden high‑fidelity simulaties van subsystemen kan genereren, in plaats van de gebruikelijke 12 uur die nodig zijn met computational fluid dynamics simulaties om slechts één simulatie te produceren. Het is momenteel afgestemd op het ontwerpen van ruimtevaartuig‑stuwraketmondstukken.

“Physics AI is het volgende niveau van complexiteit in AI, en Northrop Grumman brengt deze technologie naar onze ontwerp‑ingenieurs om de hardware‑ontwikkeling drastisch te versnellen. Het gebruik van AI om iets kleins te maken, zoals een ruimtevaartuig‑stuwraket, zet ons op een pad om veel grotere dingen te doen, zoals AI gebruiken om grotere componenten of zelfs een heel ruimtevaartuig te ontwerpen.”

– Han Park, vice‑president AI‑integratie bij Northrop Grumman Space Systems

Om modellen te bouwen die nieuwe ontwerpen kunnen genereren om de fysieke wereld te voorspellen, gebruikte de startup de data die beschikbaar is op het internet niet, maar in plaats daarvan de natuurwetten om ruimtevaartuigontwerpen te creëren.

“We compenseren het gebrek aan data met het feit dat we niet proberen te voorspellen of die afbeelding of set pixels een kat, hond of olifant is. In plaats daarvan proberen we te voorspellen of de luchtstroom op een bepaalde manier stroomt die voldoet aan enkele fysieke principes.”

– zei de CTO van Luminary Cloud, Juan Alonso

Nu, wat betreft de marktprestaties van het bedrijf, op het moment van schrijven, de $85 miljard marktkapitalisatie van Northrop Grumman’s aandelen wordt verhandeld op ongeveer $595, een stijging van 26,8 % dit jaar. Net eerder deze maand bereikten NOC‑aandelen een recordhoogte (ATH) van $640,90.