Как JWST вижда невидими междузвездни обекти

Космическият телескоп Джеймс Уеб наскоро изуми света със своя първите изображения на космоса, включително a изображение с дълбоко поле което показа инфрачервената вселена в по-голяма дълбочина от всякога.

Но не можете просто да насочите телескоп към парче пространство и да направите снимка. Данните, събрани от Webb, трябва да бъдат преведени от инфрачервените лъчи във видимата светлина и обработени в изображение, преди да могат да бъдат споделени с обществеността.

Обработката на тези данни в красиви изображения е работа на Джо ДеПаскуале от Space Telescope Science Institute, който отговаря за обработката на някои от първите изображения на Джеймс Уеб, включително емблематичния дълбок поле. Той ни каза какво е необходимо, за да оживеем тези невероятни данни.

Въртящо се колело от филтри

За да събере данни за много различни видове цели, които Джеймс Уеб ще наблюдава, от черни дупки до екзопланети, неговите инструменти трябва да могат да отчитат показания на различни дължини на вълните в рамките на инфрачервена. За да направи това, неговите инструменти са въоръжени с филтърни колела, които са въртележки от различни материали, всяка от които позволява различни дължини на вълните на светлината да преминават през тях.

Учените избират какви инструменти и какви дължини на вълните искат да използват за своите наблюдения, а филтърните колела се въртят, за да поставят съответния елемент пред сензорите на инструмента. Въпреки че въвеждането на движещи се части в такава сложна технология винаги е риск, инженерите са добре практикувани в работата с този вид хардуер досега, тъй като подобни филтърни колела се използват в други космически телескопи като космическия телескоп Хъбъл и рентгеновата обсерватория Чандра.

„Невероятно е, че тези космически кораби имат тези движещи се части в тях, които продължават да функционират с години и са готови за полет и устойчиви на радиация“, каза ДеПаскуале.

Когато Уеб наблюдава цел, тя ще изглежда първо, използвайки един филтър, след това друг и след това повече, ако е необходимо. За първото дълбоко полево изображение на Webb, той взе данни, използвайки шест филтъра, всеки от които произвежда черно-бяло изображение. Всеки филтър беше използван за двучасова експозиция, добавяйки общо 12 часа време за наблюдение.

След като данните бъдат събрани, те се изпращат на екипите на инструментите за предварителна обработка; след това се доставя на DePasquale. „Получавате шест отделни изображения, всяко от които съответства на филтъра, с който е направено“, каза той. Неговата задача е да превърне тези шест черно-бели изображения в едно от зашеметяващите изображения на космоса, на които обичаме да се възхищаваме.

Комбиниране на черно и бяло за създаване на цвят

DePasquale ще получи различен брой изображения в зависимост от това колко филтъра са избрали изследователите, след което ще ги комбинира в едно изображение. Чрез нанасяне на данни от тези филтри върху цветни канали, той създава цветно изображение. За тази работа той ще използва комбинация от софтуер за редактиране на графики с общо предназначение като Adobe Photoshop и специализиран астрономически софтуер като PixInsight, който първоначално е разработен за любителска астрофотография.

Филтрите могат да бъдат картографирани върху канали по всякакви начини, но обикновено DePasquale казва, че ще картографира върху червените, зелените и сините канали или RGB, които обикновено се използват за цифрови изображения.

„Комбинирането на неща в RGB обикновено създава най-естествено изглеждащото изображение, тъй като това се дължи на естеството на нашите очи и начина, по който те възприемат светлината“, каза той. „Имаме конусовидни клетки в очите си, които реагират на червена, зелена и синя светлина. Така че очите ни вече са готови да интерпретират света по този начин.

В изображението с дълбоко поле той взе шестте филтъра - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W и F444W, които са кръстени на дължината на вълната, при която наблюдават - и комбинира двата филтъра с най-къса дължина на вълната в синьо, двата филтъра със средна дължина на вълната в зелено и двата филтъра с най-дълга дължина на вълната в зелено. След това те се комбинират с помощта на режима на смесване на екрана в Adobe Photoshop, който добавя слоевете заедно, за да направи цветно изображение.

В други изображения, като изображението на Webb на Мъглявина Карина, който беше обработен от колегата на DePasquale Alyssa Pagan, всеки от шестте различни филтъра получи свой собствен цвят, за да избере всички различни характеристики на мъглявината. Но това не работи толкова добре за дълбокото поле.

„Опитах се да дам на всеки филтър свой уникален цвят“, каза ДеПаскуале. „Това може да създаде хубаво изображение, но в случая с дълбокото поле наистина не работи добре. Създаваше някои странни цветни артефакти и галактиките не се появяваха както трябва. Така че избрах този подход и той ми направи по-естествено изглеждащо цветно изображение.“

По-добре изглеждащо изображение

Ето защо работата по обработката на изображения изисква артистично докосване, както и научно разбиране. Работата на процесора е да създаде изображение, което едновременно точно представя данните и е визуално привлекателно.

След като данните от различни филтри бъдат комбинирани, DePasquale работи върху коригирането на цветовите нива на изображението, за да направи нещо привлекателно, но по начин, който се основава на астрономически принципи. Що се отнася до изображението с дълбоко поле на Уеб, той коригира цветовете въз основа на използването на определена спирална галактика като бяла референтна точка и празен участък от небето като сив фон.

„Когато имаме изображение с дълбоко поле или изображение с много галактики на заден план, моят подход обикновено е да се използват спирални галактики, обърнати лице към тях, като бяла референтна точка за цялото изображение“, той обясни.

„Това е така, защото спиралните галактики с лице към тях ще показват цяла популация от звезди, от най-младите звезди до най-старите звезди, представящи всички цветове, които са възможни в звездите“, каза той. „Така че преминаваме от яркия блус на младите звезди към остарелите жълтеникави звезди и всичко между тях. Така че, ако използвате това като бяла отправна точка, това ви дава наистина добре балансирано изображение като цяло.“

Изгледът на дълбоко поле

Досега имаме само две обсерватории, способни да създават изображения с дълбоко поле: Хъбъл и Уеб. Хъбъл работи в обхвата на видимата светлина, докато Уеб работи в инфрачервения диапазон, но и двата снимат гледки на далечни галактики в тъмните части на небето. Интересно е да сравните външния вид на дълбоките полета от всеки и да видите как се различават.

Изображенията от Webb ще имат свой собствен уникален вид в сравнение с изображенията от други телескопи като Hubble. Това е най-забележимо в начина, по който се появяват ярките звезди, с техните отличителни осем лъчи на дифракционни шипове. Това се дължи на формата на огледалото на Webb и е присъщо на изображенията, заснети с телескопа.

Но като цяло ДеПаскуале казва, че се стреми към обща последователност между изображенията, събрани от Уеб, и тези, събрани от Хъбъл. В края на краищата, независимо от това как се събират данните, обектите, които се изобразяват, са подобни.

Що се отнася до изображения с дълбоко поле, „това е нещо, с което работя от много години“, каза ДеПаскуале. „Така че имам някакво интуитивно усещане за това как трябва да изглежда. И знам, че спиралната галактика, обърната лице към нея, трябва да изглежда по определен начин, далечните петна трябва да имат определен оттенък и всичко между тях трябва да изглежда естествено.

Философия на инфрачервеното

Една голяма разлика между Webb и Hubble е, че Webb е способен да гледа дори по-далечни галактики отколкото Хъбъл и много от тези галактики са толкова далече, че светлината им отнема много време, за да достигне до нас. Докато Вселената се разширява през това време, тази светлина се измества от дължината на вълната на видимата светлина към инфрачервената в процес, наречен червено изместване.

Това поражда главоблъсканица: как процесорите за изображения трябва да показват галактика, която би била невидима за очите ни поради червеното отместване, но което би излъчвало видима светлина, ако беше отпред нас? Дълбокото поле на Уеб е пълно с такива галактики с червено изместване и дори относително по-близкият основен галактически куп в изображението също е с червено изместване.

„Някои хора ще имат философски спор относно цветовете в това изображение, защото галактическият куп вече е на четири и половина милиарда светлинни години. Така че технически трябва да бъде изместен в червено. Това трябва да е много по-червено, отколкото изглежда“, каза ДеПаскуале.

Но вместо това той избира да представи данните по начин, който смекчава червеното отместване и използва по-широка гама от цветове, за да даде повече информация.

„Вместо цялото изображение да има червена отливка върху него, нека направим спиралната галактика, която виждаме в това изображение е бялата референтна точка, така че клъстерът сега става бял вместо жълт“, той казах. „И тогава получавате информация за цвета от всичко останало зад него. Така че наистина, наистина далечните галактики сега се показват като червени точки в това изображение, а други неща, които са по-близо, са по-малко червени.“

Историята на Webb

Този подход не само помага на зрителите да видят разнообразието от галактики в дълбокото поле, но също така подчертава специфичните способности на Webb.

„Историята с Уеб е, че може да вижда далечните, далечни галактики, докато Хъбъл стига до момент, в който вече не може да ги вижда, защото те са се преместили в червено в инфрачервена светлина“, каза той.

Тази способност да търси тези галактики с високо червено отместване е това, което ще позволи на Уеб да види някои от най-ранните галактики, които са се образували в много младата вселена. Не че Уеб е просто по-мощен от Хъбъл, а по-скоро че те разглеждат различни части от електромагнитния спектър.

Това се усложнява от факта, че резолюцията на Webb се променя в зависимост от дължината на вълната, която гледа. При по-дълги дължини на вълните изображенията му имат по-ниска разделителна способност. Но тази връзка между дължина на вълната и разделителна способност не е непременно лошо нещо за работа с изображения с дълбоко поле.

„Работи добре за изображението в дълбоко поле, защото при най-дългите дължини на вълните галактиките, които откривате, са наистина бледите, или наистина прашните, и те може да нямат много структура в началото“, ДеПаскуале казах. „Така че, ако са малко по-малко решени, това всъщност изглежда много естествено в изображението.“

Научно познание и творческа свобода

Работата на процесори за обработка на изображения като DePasquale често е първият начин, по който членовете на обществеността се ангажират с космическата наука, така че е важно тя да бъде едновременно точна и привлекателна. Това изисква известна степен на доверие между учените, извършващи изследването, и процесорите, които представят тази работа на обществеността.

Но според неговия опит той казва, че повечето учени са възхитени да видят работата си преведена в цветни изображения. „В този момент от кариерата си стигнах до точката, в която ми е дадена творческа свобода да създавам красив образ, но хората вярват че познавам науката достатъчно добре, за да мога да създам красиво цветно изображение, което също така разказва научна история“, каза Де Паскуале.

Реакцията на първите изображения на Джеймс Уеб беше пример за това. Не само космическите експерти бяха развълнувани да видят потенциала на този нов телескоп; представители на обществеността от цял ​​свят също бяха изумени да видят тези завладяващи нови гледки към космоса.

Това е само началото на това, което ще видим от Webb, с още много изображения от телескопа, които ще бъдат споделени през следващите месеци.

ДеПаскуале казва, че обществената реакция на първите изображения е всичко, на което се е надявал. „Беше невероятно да се види. Те са буквално навсякъде. Те бяха изложени на Таймс Скуеър, на всички места. Беше невероятно.”

Препоръки на редакторите

• Джеймс Уеб забелязва древен прах, който може да е от най-ранните свръхнови
• Увеличете мащаба на зашеметяващото изображение на Джеймс Уеб, за да видите галактика, образувана преди 13,4 милиарда години
• Джеймс Уеб забелязва най-отдалечената активна супермасивна черна дупка, откривана някога
• Джеймс Уеб открива улики за мащабната структура на Вселената
• Джеймс Уеб открива важна молекула в зашеметяващата мъглявина Орион