كيف يرى JWST الأجسام غير المرئية بين النجوم

أذهل تلسكوب جيمس ويب الفضائي العالم مؤخرًا بميزاته الصور الأولى للفضاء، بما في ذلك صورة ‏الميدان العميق‏ التي أظهرت الكون تحت الأحمر في عمق أكثر من أي وقت مضى.

ولكن لا يمكنك فقط توجيه التلسكوب نحو قطعة من الفضاء والتقاط صورة. يجب ترجمة البيانات التي يجمعها ويب من الأشعة تحت الحمراء إلى الضوء المرئي ومعالجتها في صورة قبل مشاركتها مع الجمهور.

إن معالجة هذه البيانات إلى صور جميلة هي مهمة جو ديباسكال من علوم التلسكوب الفضائي المعهد، الذي كان مسؤولاً عن معالجة بعض صور جيمس ويب الأولى بما في ذلك الصور العميقة الشهيرة مجال. لقد أخبرنا بما يلزم لجعل هذه البيانات المذهلة تنبض بالحياة.

عجلة دوارة من المرشحات

لجمع البيانات حول العديد من أنواع الأهداف المختلفة التي سيراقبها جيمس ويب، بدءًا من الثقوب السوداء وحتى الثقوب السوداء بالنسبة للكواكب الخارجية، يجب أن تكون أدواتها قادرة على أخذ قراءات عند أطوال موجية مختلفة داخل النطاق الأشعة تحت الحمراء. للقيام بذلك، يتم تسليح أدواتها مع عجلات التصفية، وهي عبارة عن دوارات مصنوعة من مواد مختلفة يسمح كل منها بأطوال موجية مختلفة من الضوء بالمرور من خلالها.

يختار العلماء الأدوات والأطوال الموجية التي يريدون استخدامها لملاحظاتهم، وتدور عجلات الترشيح لوضع العنصر المقابل أمام مستشعرات الجهاز. على الرغم من أن إدخال الأجزاء المتحركة في مثل هذه القطعة التكنولوجية المعقدة يمثل دائمًا مخاطرة، إلا أن المهندسين متمرسين جيدًا في العمل مع هذا النوع من الأجهزة حتى الآن، حيث يتم استخدام عجلات ترشيح مماثلة في التلسكوبات الفضائية الأخرى مثل تلسكوب هابل الفضائي ومرصد شاندرا للأشعة السينية.

وقال ديباسكال: "إنه أمر لا يصدق أن تحتوي هذه المركبات الفضائية على هذه الأجزاء المتحركة التي تستمر في العمل لسنوات وتكون جاهزة للطيران ومقواة بالإشعاع".

عندما يراقب Webb هدفًا، فإنه سيبحث أولاً باستخدام مرشح واحد، ثم آخر، ثم أكثر إذا لزم الأمر. بالنسبة إلى أول صورة عميقة للمجال، قام ويب بأخذ البيانات باستخدام ستة مرشحات، كل منها ينتج صورة بالأبيض والأسود. تم استخدام كل مرشح لمدة ساعتين من التعرض، مما يصل إلى إجمالي 12 ساعة من وقت المراقبة.

بمجرد جمع البيانات، يتم إرسالها إلى فرق الأدوات للمعالجة المسبقة؛ ثم يتم تسليمها إلى DePasquale. وقال: "تحصل على ست صور فردية، كل واحدة منها تتوافق مع المرشح الذي تم التقاطها به". وتتمثل مهمته في تحويل تلك الصور الست بالأبيض والأسود إلى واحدة من الصور المذهلة للفضاء الذي نحب أن نعجب به.

الجمع بين الأسود والأبيض لتكوين اللون

سيتلقى DePasquale عددًا متفاوتًا من الصور اعتمادًا على عدد المرشحات التي اختارها الباحثون، ثم سيقوم بدمجها في صورة واحدة. ومن خلال تعيين البيانات من هذه المرشحات على قنوات الألوان، يقوم بإنشاء صورة ملونة. في هذا العمل، سيستخدم مجموعة من برامج تحرير الرسومات ذات الأغراض العامة مثل Adobe Photoshop و البرامج الفلكية المتخصصة مثل PixInsight، والتي تم تطويرها في الأصل لهواة التصوير الفلكي.

يمكن تعيين المرشحات على القنوات بجميع أنواع الطرق، ولكن عادةً، يقول DePasquale إنه سيقوم بتعيين القنوات الحمراء والخضراء والزرقاء، أو RGB، والتي تُستخدم عادةً للصور الرقمية.

وقال: "إن الجمع بين الأشياء في RGB عادة ما يخلق صورة ذات مظهر طبيعي أكثر، ويرجع ذلك إلى طبيعة أعيننا وكيفية إدراكها للضوء". "لدينا الخلايا المخروطية في أعيننا التي تستجيب للضوء الأحمر والأخضر والأزرق. لذا فإن أعيننا مهيأة بالفعل لتفسير العالم بهذه الطريقة.

في صورة المجال العميق، التقط المرشحات الستة - F090W، وF150W، وF200W، وF277W، وF356W، وF444W، والتي تم تسميتها على اسم الطول الموجي الذي تراقبه - وقمت بدمج مرشحي الطول الموجي الأقصر إلى اللون الأزرق، ومرشحي الطول الموجي المتوسط ​​إلى اللون الأخضر، وأطول مرشحي الطول الموجي إلى اللون الأخضر. يتم بعد ذلك دمجها باستخدام وضع مزج الشاشة في Adobe Photoshop، والذي يجمع الطبقات معًا لتكوين صورة ملونة.

وفي صور أخرى، مثل صورة ويب لـ سديم كارينا، والتي تمت معالجتها بواسطة أليسا باغان، زميلة ديباسكال، تم تخصيص لون خاص لكل مرشح من المرشحات الستة المختلفة لاختيار جميع الميزات المختلفة للسديم. لكن هذا لم ينجح بشكل جيد في المجال العميق.

قال ديباسكال: "لقد حاولت إعطاء كل مرشح لونًا فريدًا خاصًا به". "يمكن أن يخلق ذلك صورة جميلة ولكن في حالة المجال العميق، لم يكن الأمر يعمل بشكل جيد حقًا. لقد كان يخلق بعض القطع الأثرية الملونة الغريبة ولم تظهر المجرات كما ينبغي. لذلك اتبعت هذا النهج، وقد أدى إلى ظهور صورة ملونة أكثر طبيعية بالنسبة لي.

صورة ذات مظهر أفضل

ولهذا السبب يتطلب عمل معالجة الصور لمسة فنية بالإضافة إلى الفهم العلمي. تتمثل مهمة المعالج في إنشاء صورة تمثل البيانات بدقة وتكون جذابة بصريًا.

بمجرد دمج البيانات من مرشحات مختلفة، يعمل DePasquale على ضبط مستويات ألوان الصورة لجعلها جذابة، ولكن بطريقة تعتمد على مبادئ فلكية. عندما يتعلق الأمر بصورة ويب العميقة، قام بتعديل الألوان بناءً على استخدام مجرة ​​حلزونية معينة كنقطة مرجعية بيضاء ورقعة فارغة من السماء كخلفية رمادية.

"عندما تكون لدينا صورة عميقة المجال أو صورة تحتوي على الكثير من المجرات في الخلفية، فهذا هو النهج الذي أتبعه بشكل عام، يتم استخدام المجرات الحلزونية وجهًا لوجه كنقطة مرجعية بيضاء للصورة بأكملها شرح.

وقال: "هذا لأن المجرات الحلزونية وجهاً لوجه ستعرض مجموعة كاملة من النجوم، من أصغر النجوم إلى أقدم النجوم، مما يمثل جميع الألوان الممكنة داخل النجوم". "لذلك ننتقل من اللون الأزرق الساطع للنجوم الشابة إلى النجوم الصفراء القديمة وكل شيء بينهما. لذلك، إذا استخدمت ذلك كنقطة مرجعية بيضاء، فهذا يمنحك صورة متوازنة بشكل جيد بشكل عام.

مظهر الحقل العميق

حتى الآن، لدينا مرصدان فقط قادران على إنشاء صور عميقة المجال: هابل وويب. يعمل هابل في نطاق الضوء المرئي، بينما يعمل ويب في نطاق الأشعة تحت الحمراء، لكن كلاهما يلتقط صورًا لمجرات بعيدة في أجزاء قاتمة من السماء. من المثير للاهتمام مقارنة مظهر الحقول العميقة من كل منها ومعرفة مدى اختلافها.

سيكون للصور الملتقطة من Webb مظهرها الفريد مقارنة بالصور الملتقطة من التلسكوبات الأخرى مثل Hubble. ويتجلى هذا بشكل أكبر في الطريقة التي تظهر بها النجوم الساطعة، مع أشواكها المميزة ذات الحيود الثمانية. ويرجع ذلك إلى شكل مرآة ويب وهي متأصلة في الصور الملتقطة بالتلسكوب.

لكن بشكل عام، يقول ديباسكويل إنه يهدف إلى تحقيق اتساق عام بين الصور التي جمعها ويب وتلك التي جمعها هابل. وفي النهاية، بغض النظر عن كيفية جمع البيانات، فإن الكائنات التي يتم تصويرها متشابهة.

وقال ديباسكال: "عندما يتعلق الأمر بالصور ذات المجال العميق، فإنني أعمل على هذا الأمر منذ سنوات عديدة". "لذلك لدي إحساس بديهي بما يجب أن يبدو عليه الأمر. وأنا أعلم أن المجرة الحلزونية المواجهة يجب أن يكون لها مظهر معين، ويجب أن يكون للبقع البعيدة لون معين، وكل شيء بينهما يجب أن يبدو طبيعيًا.

فلسفة الأشعة تحت الحمراء

أحد الاختلافات الكبيرة بين ويب وهابل هو أن ويب قادر على النظر إلى المجرات البعيدة من هابل، والعديد من هذه المجرات بعيدة جدًا لدرجة أن ضوءها يستغرق وقتًا طويلاً جدًا للوصول إلينا. ومع توسع الكون خلال هذا الوقت، ينتقل هذا الضوء من الأطوال الموجية للضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء في عملية تسمى الانزياح الأحمر.

وهذا يثير لغزًا: كيف ينبغي لمعالجات الصور أن تعرض مجرة ​​تكون غير مرئية؟ لأعيننا بسبب الانزياح الأحمر، ولكن من شأنه أن يعطي الضوء المرئي إذا كان أمامنا نحن؟ يمتلئ حقل ويب العميق بهذه المجرات ذات الانزياح الأحمر، وحتى عنقود المجرات الرئيسي الأقرب نسبيًا في الصورة منزاح نحو الأحمر أيضًا.

"سيكون لدى بعض الناس حجة فلسفية حول الألوان في هذه الصورة، لأن العنقود المجري يقع بالفعل على بعد أربعة مليارات ونصف المليار سنة ضوئية. لذلك من الناحية الفنية يجب أن يتم إزاحته نحو الأحمر. وقال ديباسكال: "يجب أن يكون هذا اللون أحمر أكثر بكثير مما يبدو".

لكنه بدلاً من ذلك اختار تقديم البيانات بطريقة تخفف من الانزياح الأحمر وتستخدم نطاقًا أوسع من الألوان لتقديم المزيد من المعلومات.

"بدلاً من جعل الصورة بأكملها مغطاة بطبقة حمراء، دعونا نجعل المجرة الحلزونية التي نراها فيها هذه الصورة هي النقطة المرجعية البيضاء، بحيث تصبح الكتلة الآن بيضاء بدلا من الصفراء قال. "وبعد ذلك، تحصل على معلومات الألوان من كل شيء آخر خلفها. لذا فإن المجرات البعيدة حقًا تظهر الآن كنقاط حمراء في هذه الصورة، والأشياء الأخرى الأقرب تكون أقل حمراء.

قصة ويب

لا يساعد هذا النهج المشاهدين على رؤية تنوع المجرات في المجال العميق فحسب، بل يسلط الضوء أيضًا على القدرات الخاصة لـ Webb.

وقال: "القصة مع ويب هي أنه يمكنه رؤية المجرات البعيدة، في حين وصل هابل إلى نقطة لم يعد بإمكانه رؤيتها لأنها تحولت إلى اللون الأحمر إلى ضوء الأشعة تحت الحمراء".

هذه القدرة على البحث عن هذه المجرات ذات الانزياح الأحمر العالي هي ما سيمكن ويب من رؤية بعض المجرات الأولى التي تشكلت في الكون الصغير جدًا. لا يعني ذلك أن ويب ببساطة أقوى من هابل، بل أنهم يبحثون في أجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي.

ومما يزيد الأمر تعقيدًا حقيقة أن دقة ويب تتغير بناءً على الطول الموجي الذي تنظر إليه. عند الأطوال الموجية الأطول، تكون صورها ذات دقة أقل. لكن هذه العلاقة بين الطول الموجي ودقة الوضوح ليست بالضرورة أمرًا سيئًا عند العمل مع الصور ذات المجال العميق.

"إنها تعمل بشكل جيد مع صورة المجال العميق لأنه في الأطوال الموجية الأطول تكون المجرات التي تكتشفها تلك الباهتة حقًا، أو تلك المتربة حقًا، وربما لا تحتوي على الكثير من البنية لتبدأ بها،" ديباسكال قال. "وبالتالي، إذا كانت المشكلة أقل وضوحًا، فإنها تبدو طبيعية جدًا في الصورة."

المعرفة العلمية والحرية الإبداعية

غالبًا ما يكون عمل معالجات الصور مثل DePasquale هو الطريقة الأولى التي يتفاعل بها أفراد الجمهور مع علوم الفضاء، لذلك من المهم أن تكون دقيقة وجذابة. ويتطلب ذلك درجة من الثقة بين العلماء الذين يقومون بالبحث والمعالجين الذين يقدمون هذا العمل للجمهور.

ولكن من خلال خبرته، يقول إن معظم العلماء سعداء برؤية أعمالهم مترجمة إلى صور ملونة. "في هذه المرحلة من مسيرتي المهنية، وصلت إلى النقطة التي أُمنح فيها الحرية الإبداعية لإنشاء صورة جميلة، لكن الناس يثقون قال: "إنني أعرف العلوم جيدًا بما يكفي لأتمكن من إنشاء صورة ملونة جميلة تحكي أيضًا قصة علمية". ديباسكويل.

كان رد الفعل على صور جيمس ويب الأولى مثالاً على ذلك. لم يكن خبراء الفضاء وحدهم متحمسين لرؤية إمكانات هذا التلسكوب الجديد؛ لقد اندهش أفراد الجمهور من جميع أنحاء العالم أيضًا لرؤية هذه المناظر الرائعة الجديدة للكون.

هذه مجرد بداية لما سنراه من ويب، مع الكثير من الصور من التلسكوب التي سيتم مشاركتها خلال الأشهر المقبلة.

يقول ديباسكال إن رد فعل الجمهور على الصور الأولى هو كل ما كان يأمل فيه. "لقد كان من المدهش أن نرى. هم حرفيا في كل مكان. تم عرضها في تايمز سكوير، من بين جميع الأماكن. لقد كان الأمر لا يصدق.

توصيات المحررين

• اكتشف جيمس ويب غبارًا قديمًا قد يكون من أقدم المستعرات الأعظم
• قم بتكبير صورة جيمس ويب المذهلة لرؤية مجرة ​​تشكلت قبل 13.4 مليار سنة
• اكتشف جيمس ويب أبعد ثقب أسود فائق الكتلة ونشط تم اكتشافه على الإطلاق
• اكتشف جيمس ويب أدلة على البنية واسعة النطاق للكون
• اكتشف جيمس ويب جزيئًا مهمًا في سديم أوريون المذهل