如果系外行星不是那麼多都離恆星那麼近，找到它們會容易得多。但事實就是如此，這是系外行星科學家必須面對的問題。日冕儀在遮擋星光、讓暗淡行星更可見方面作用顯著，但也有其極限。

韋伯望遠鏡（JWST）的近紅外相機（NIRCam）與中紅外儀器（MIRI）裡，都內建了日冕儀成像能力。這些能力幫它研究藏在恆星光芒裡的棘手目標，例如碎片盤，也讓它觀測到類星體這類極明亮的東西。

但所有望遠鏡都有穩定極限，即使是目光如炬的韋伯也不例外。穩定極限是一個門檻，超過之後，機械、熱或光學上的波動就會讓清晰影像變得不可能。韋伯配備精細導星感測器與 5 層遮陽罩來提高這個門檻，但極限依然存在。

《自然》期刊的新研究，說明天文學家如何開發出一種方法，從韋伯的觀測裡減去更多星光，對挑戰望遠鏡極限的系外行星成像。論文題為「在望遠鏡穩定性極限以下對系外行星成像」，第一作者是 Rodrigo Ferrer-Chavez，美國西北大學物理與天文系的研究生。

「系外行星成像是詳細刻畫軌道超過 1 天文單位（au）的行星的主要方法，但它需要壓制恆星的明亮眩光，才看得到微弱的行星光，」作者寫道。要壓制這種眩光，需要幾個條件，其中之一是極度穩定的望遠鏡。

「我們試著讓望遠鏡極度穩定，但還有一些極端的工程挑戰沒有完全解決，」共同作者、西北大學溫伯格文理學院物理與天文助理教授 Jason Wang 說。「不穩定的原因有已知的，也有未知的。微小的熱變化可能讓鏡面膨脹或收縮一皮米。像韋伯這樣的望遠鏡配備低溫冷卻器，讓儀器保持極冷，那些冷卻器有小馬達，可能讓鏡面振動。所以有這類問題，也有我們在學習怎麼造這些複雜望遠鏡時、還沒弄懂的問題。」

但穩定的望遠鏡只是故事的一半。影像處理在現代天文學裡扮演重要角色，而望遠鏡穩定性與影像處理這兩個因素，會互相牽動。

「除了精密的儀器設備，有效的影像處理對星光抑制也是必要的，而這仍然是一個重大限制，」作者寫道。

天文學家用標準演算法來克服這個限制，其中一種做法是用參考影像來模擬星光。

「過去 20 年，天文學家解決這個問題的方式，是觀測另一顆恆星，把它的影像當參考，」Wang 說。「然後把參考影像從原始觀測裡減掉，去掉多餘的眩光，讓原本可能被藏起來的暗弱行星顯現。」

但參考影像也有極限。從參考影像切換到實際觀測時，望遠鏡裡不可避免的不穩定性仍會影響結果。克服這些頑固的障礙，意味著我們能直接成像更多系外行星。

「應對這項挑戰，會增加適合直接成像的行星數量，也是朝未來天文台對系外地球成像邁出的重要一步，」研究者解釋。

他們的答案是一種基於物理與建模的新方法，同時借了機器學習的想法。它能解釋韋伯望遠鏡微小的奈米級缺陷，讓天文學家比以往更有效地從影像裡減去星光。

「行星比它們的恆星暗一百萬倍，」第一作者 Ferrer-Chavez 說。「所以要對系外行星成像，我們得去掉那層眩光。這是很棘手的問題，因為望遠鏡裡最微小的變化，都會影響眩光的樣子。輕微的位移或傾斜——哪怕只有幾奈米——都會改變光的圖案。我們的方法模擬光在望遠鏡裡怎麼走，並把這些微小變化算進去，讓我們能更精確地去掉眩光。」

這歸結到 PSF，也就是點擴散函數。每台望遠鏡對光的偵測都不完美，都會以某種方式扭曲或彎折光線。所以點光源不會呈現為一個點，而必然會以某種方式退化。這可能讓系外行星這類極暗淡的天體，被藏進恆星的強光裡。把 PSF 算進去，是天文學日常的工作。

新系統叫 FLIP（Physics-based Learning for Imaging Planets，基於物理學習的行星成像），它克服了從參考影像切換到實際觀測的問題。FLIP「結合多步最佳化策略，與一個由波前感測資料提供資訊的彈性物理模型，達到真實資料所需的 PSF 保真度，」作者寫道。

這些技術細節，對很多人來說比想像中無聊。但正是這類工作，撐起了天文學裡那些絢麗的影像與迷人的發現。

本質上，研究者用 FLIP 造出了他們所稱的韋伯望遠鏡「數位孿生」。這個孿生模型重現光線穿過韋伯的整個過程，細到最微小的細節，包括細微的偏移、畸變與缺陷。他們反覆調整 FLIP，直到它對上韋伯真實的觀測結果，包括那些汙染性的星光。之後，他們把恆星的眩光從影像裡減掉。

而且成功了。

他們在 51 Eridani b 上測試，這是一顆由地面望遠鏡發現的系外行星。用韋伯尋找系外行星大氣中二氧化碳的那個波段觀測時，常規的影像處理技術看不到藏在眩光裡的行星。（會挑這個波段，是因為它是韋伯任務的關鍵部分，也是它能力上的甜蜜點。）

但研究者改用 FLIP 之後，行星現身了。

「我們的靈敏度比標準技術好 2 到 15 倍，包括首次在 4.3 微米波段探測到 51 Eridani b，」作者寫道。「據我們所知，這是這種方法首次在真實天空的日冕儀成像上，展現出大幅提升的靈敏度。」

「我們證明了，真的能把一顆別人以前看不到的行星找回來，」Wang 說。「這是真實場景裡的真實資料。那些科學成果原本被擺在桌上沒人拿，因為我們沒有合適的工具，用最理想的方式分析資料。」

FLIP 的未來看起來很亮。不只跟韋伯，也跟其他太空望遠鏡，例如宜居世界天文台（HWO）。用 HWO 對系外地球成像，需要極高的穩定性，而 FLIP 或許能帶我們走到那裡。事實上，FLIP 可能讓 HWO 更容易設計與建造。

「在這項工作裡，我們展示了韋伯近紅外相機在穩定性極限之外的靈敏度，」作者寫道。「如果這能延伸到 HWO 的對比度水準，系統的超穩定要求或許可以部分解除，影像後處理所需的誤差預算也能降低，天文台的設計就可能變得比較可行。」

簡單說，FLIP 能減輕建造越來越強大望遠鏡的工程壓力，也能幫它們跨過穩定極限。

「我們不知道其他恆星周圍有像我們太陽系這樣的行星，」Ferrer-Chavez 說。「不是它們不存在，而是我們看不到。每次我們改進技術，就會發現新型態的行星。找到更多行星，我們才能更理解行星系統怎麼形成、怎麼演化，並最終知道我們的太陽系到底有多典型。」

把 51 Eridani b 找回來的過程，等於把整台望遠鏡建成一個模型，反覆調到軟體裡的光行為跟軌道上完全一致——一個被重建的儀器，讓原本看不見的目標現形。虛擬顯微鏡用的是同一個道理：WWAI 把一份昆蟲複眼標本數位重建，小眼陣列、角膜與色素細胞清晰可見，你還可以一邊觀察一邊追問細胞的問題。在應用程式商店搜尋 WWAI 就能下載。

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References

Ferrer-Chavez R, Wang JJ, Bouman KL, Freeman WT, Pueyo L, Feng BY, Perrin MD. Imaging exoplanets below the telescope stability limit. Nature. 2026;659:58–62. doi:10.1038/s41586-026-11213-z

Macintosh B, Graham JR, Barman T, et al. Discovery and spectroscopy of the young Jovian planet 51 Eridani b with the Gemini Planet Imager. Science. 2015;350(6256):64–67.

NASA. James Webb Space Telescope: NIRCam near-infrared camera. NASA Science. https://science.nasa.gov/mission/webb/