Jak JWST vidí neviditelné mezihvězdné objekty

Vesmírný dalekohled Jamese Webba nedávno ohromil svět svým první obrazy vesmíru, včetně a obraz hlubokého pole která ukázala infračervený vesmír do větší hloubky než kdy předtím.

Ale nemůžete jen namířit dalekohled na kousek vesmíru a pořídit fotku. Data shromážděná Webbem musí být převedena z infračerveného do viditelného světla a zpracována do podoby obrázku, než je lze sdílet s veřejností.

Zpracování těchto dat do nádherných snímků je úkolem Joe DePasquale z Space Telescope Science Institute, který byl zodpovědný za zpracování některých prvních snímků Jamese Webba včetně ikonické hloubky pole. Řekl nám, co je potřeba k tomu, aby tato neuvěřitelná data ožila.

Rotující kolo filtrů

Shromáždit data o mnoha různých typech cílů, které bude James Webb pozorovat, od černých děr až po exoplanet, jeho přístroje musí být schopny snímat údaje na různých vlnových délkách v rámci infračervený. K tomu jsou její nástroje vyzbrojeny filtrová kola, což jsou kolotoče z různých materiálů, z nichž každý propouští různé vlnové délky světla.

Vědci si vyberou, jaké přístroje a jaké vlnové délky chtějí pro svá pozorování použít, a filtrová kola se otáčejí, aby umístily odpovídající prvek před senzory přístroje. I když je zavádění pohyblivých částí do tak složitého kusu technologie vždy riskantní, inženýři jsou s prací s tímto druhem techniky dobře vycvičeni. hardwaru, protože podobná filtrová kola se používají v jiných vesmírných dalekohledech, jako je Hubbleův vesmírný dalekohled a rentgenová observatoř Chandra.

"Je neuvěřitelné, že tyto kosmické lodě mají v sobě tyto pohyblivé části, které fungují roky a jsou připraveny k letu a odolné vůči záření," řekl DePasquale.

Když Webb zpozoruje cíl, nejprve se podívá pomocí jednoho filtru, poté dalšího a v případě potřeby dalších. Pro Webbův první snímek hlubokého pole pořídil data pomocí šesti filtrů, z nichž každý vytváří černobílý snímek. Každý filtr byl použit pro dvouhodinovou expozici, což znamenalo celkem 12 hodin pozorování.

Jakmile jsou data shromážděna, jsou odeslána týmům přístrojů k předběžnému zpracování; poté je doručena společnosti DePasquale. "Dostanete šest jednotlivých snímků, z nichž každý odpovídá filtru, kterým byl pořízen," řekl. Jeho úkolem je proměnit těchto šest černobílých snímků na jeden z úžasných obrazů vesmíru, který tak rádi obdivujeme.

Kombinací černé a bílé barvy

DePasquale obdrží různý počet obrázků v závislosti na tom, kolik filtrů výzkumníci zvolili, a poté je spojí do jednoho obrázku. Mapováním dat z těchto filtrů na barevné kanály vytvoří barevný obraz. Pro tuto práci použije kombinaci univerzálního softwaru pro úpravu grafiky, jako je Adobe Photoshop a speciální astronomický software jako PixInsight, který byl původně vyvinut pro amatérskou astrofotografii.

Filtry lze mapovat na kanály nejrůznějšími způsoby, ale obvykle DePasquale říká, že bude mapovat na červené, zelené a modré kanály nebo RGB, které se běžně používají pro digitální obrázky.

„Kombinace věcí v RGB obvykle vytváří nejpřirozenější obraz, protože to je způsobeno povahou našich očí a tím, jak vnímají světlo,“ řekl. "V našich očích máme čípkové buňky, které reagují na červené, zelené a modré světlo." Takže naše oči jsou již připraveny interpretovat svět tímto způsobem."

Na snímku hlubokého pole vzal šest filtrů – F090W, F150W, F200W, F277W, F356W a F444W, které jsou pojmenovány podle vlnové délky, na které pozorují – a spojil dva filtry s nejkratší vlnovou délkou do modré, dva filtry se střední vlnovou délkou do zelené a dva filtry s nejdelší vlnovou délkou do zelené. Ty jsou pak kombinovány pomocí režimu prolnutí obrazovky v Adobe Photoshopu, který sečte vrstvy dohromady a vytvoří barevný obraz.

V jiných obrázcích, jako je obrázek Webb Mlhovina Carina, který zpracovala DePasqualeova kolegyně Alyssa Pagan, každému ze šesti různých filtrů byla přiřazena vlastní barva, aby bylo možné vybrat všechny různé rysy mlhoviny. Ale to nefungovalo tak dobře pro hluboké pole.

"Snažil jsem se dát každému filtru jeho vlastní jedinečnou barvu," řekl DePasquale. „To může vytvořit pěkný obraz, ale v případě hlubokého pole to opravdu nefungovalo dobře. Vytvářelo to nějaké podivné barevné artefakty a galaxie se neobjevovaly tak, jak by měly. Takže jsem zvolil tento přístup a vytvořil mi přirozenější barevný obraz.“

Lépe vypadající obrázek

To je důvod, proč práce se zpracováním obrazu vyžaduje umělecký dotek i vědecké porozumění. Úkolem zpracovatele je vytvořit obraz, který přesně reprezentuje data a je vizuálně přitažlivý.

Jakmile jsou data z různých filtrů zkombinována, DePasquale pracuje na úpravě úrovní barev obrazu, aby bylo něco atraktivního, ale způsobem, který je založen na astronomických principech. Když došlo na Webbův snímek hlubokého pole, upravil barvy na základě použití konkrétní spirální galaxie jako bílého referenčního bodu a prázdného místa na obloze jako šedého pozadí.

„Když máme snímek hlubokého pole nebo snímek se spoustou galaxií v pozadí, můj přístup obecně je použití spirálních galaxií přivrácených k sobě jako bílého referenčního bodu pro celý snímek,“ řekl vysvětlil.

"Je to proto, že spirální galaxie přivrácené k sobě budou zobrazovat celou populaci hvězd, od nejmladších hvězd po nejstarší hvězdy, představující všechny barvy, které jsou ve hvězdách možné," řekl. „Takže přecházíme od jasného blues mladých hvězd ke starým nažloutlým hvězdám a všemu mezi tím. Takže pokud to použijete jako svůj bílý referenční bod, získáte celkově opravdu pěkně vyvážený obraz.“

Vzhled hlubokého pole

Zatím máme pouze dvě observatoře schopné vytvářet snímky hlubokého pole: Hubble a Webb. Hubble pracuje v oblasti viditelného světla, zatímco Webb pracuje v infračervené oblasti, ale oba pořizují pohledy na vzdálené galaxie v tmavých částech oblohy. Je zajímavé porovnat vzhled hlubokých polí z každého a zjistit, jak se liší.

Snímky z Webba budou mít svůj vlastní jedinečný vzhled ve srovnání s obrázky z jiných dalekohledů, jako je Hubble. Nejnápadnější je to na tom, jak se objevují jasné hvězdy s jejich výraznými osmibodovými difrakčními hroty. To je způsobeno tím tvar Webbova zrcadla a je vlastní snímkům pořízeným dalekohledem.

Celkově však DePasquale říká, že usiluje o všeobecnou konzistenci mezi obrázky shromážděnými Webbem a těmi, které shromáždil Hubble. Koneckonců, bez ohledu na to, jak jsou data shromažďována, jsou zobrazované objekty podobné.

Pokud jde o snímky hlubokého pole, „to je něco, s čím pracuji mnoho let,“ řekl DePasquale. "Takže mám tak trochu intuitivní smysl pro to, jak by to mělo vypadat." A vím, že spirální galaxie otočená tváří by měla mít určitý vzhled, vzdálené šmouhy by měly mít určitý odstín a všechno mezi tím by mělo vypadat přirozeně.“

Filozofie infračerveného záření

Jeden velký rozdíl mezi Webbem a Hubbleem je ten, že Webb je schopen dívat se na ještě vzdálenější galaxie než Hubble a mnoho z těchto galaxií je tak daleko, že jejich světlu trvá velmi dlouho, než k nám dorazí. Jak se vesmír během této doby rozpíná, toto světlo je posunuto z vlnových délek viditelného světla do infračerveného v procesu zvaném červený posuv.

To přináší rébus: Jak by měly obrazové procesory zobrazovat galaxii, která by byla neviditelná do našich očí kvůli rudému posuvu, ale který by vydával viditelné světlo, kdyby byl před námi nás? Webbovo hluboké pole je plné takových galaxií s rudým posuvem a dokonce i relativně bližší hlavní kupa galaxií na snímku je rovněž rudý posuv.

"Někteří lidé budou mít filozofický argument o barvách na tomto snímku, protože kupa galaxií je již čtyři a půl miliardy světelných let daleko." Technicky by tedy měl být rudý posuv. Tohle by mělo být mnohem červenější, než to vypadá,“ řekl DePasquale.

Místo toho se však rozhodl prezentovat data způsobem, který zmírňuje červený posun a používá širší škálu barev, aby poskytl více informací.

"Místo toho, aby byl celý snímek překryt červeným nádechem, udělejme spirální galaxii, kterou vidíme v tento obrázek je bílý referenční bod, takže shluk se nyní stává bílým místo žluté,“ řekl řekl. "A pak získáte barevné informace ze všeho ostatního za tím." Takže opravdu, opravdu vzdálené galaxie se nyní na tomto snímku zobrazují jako červené body a další věci, které jsou blíže, jsou méně červené."

Příběh Webba

Tento přístup nejen pomáhá divákům vidět rozmanitost galaxií v hlubokém poli, ale také zdůrazňuje zvláštní schopnosti Webba.

„Příběh s Webbem je takový, že dokáže vidět vzdálené, vzdálené galaxie, zatímco HST se dostane do bodu, kdy je už nevidí, protože se změnily v infračervené světlo,“ řekl.

Tato schopnost hledat tyto galaxie s vysokým rudým posuvem je to, co Webbovi umožní vidět některé z nejstarších galaxií, které se zformovaly ve velmi mladém vesmíru. Není to tak, že by Webb byl jednoduše silnější než Hubble, ale spíše se dívají na různé části elektromagnetického spektra.

To je komplikováno skutečností, že Webbovo rozlišení se mění na základě vlnové délky, na kterou se dívá. Na delších vlnových délkách mají jeho obrazy nižší rozlišení. Ale tento vztah mezi vlnovou délkou a rozlišením není nutně špatný pro práci s obrázky v hlubokém poli.

"Funguje to dobře pro snímky hlubokého pole, protože na nejdelších vlnových délkách jsou galaxie, které detekujete." opravdu ty slabé nebo ty opravdu zaprášené a nemusí mít zpočátku příliš mnoho struktury,“ DePasquale řekl. "Takže pokud jsou trochu méně vyřešené, ve skutečnosti to na obrázku vypadá velmi přirozeně."

Vědecké znalosti a tvůrčí svoboda

Práce obrazových procesorů, jako je DePasquale, je často prvním způsobem, jak se členové veřejnosti zabývají vesmírnou vědou, takže je důležité, aby byla přesná a přitažlivá. To vyžaduje určitou míru důvěry mezi vědci provádějícími výzkum a zpracovateli, kteří tuto práci prezentují veřejnosti.

Ale podle svých zkušeností říká, že většina vědců je potěšena, když vidí jejich práci převedenou do barevných obrázků. „V tomto bodě své kariéry jsem se dostal do bodu, kdy jsem dostal kreativní svobodu k vytvoření krásného obrazu, ale lidé důvěřují že znám vědu natolik dobře, že jsem schopen vytvořit krásný barevný obraz, který zároveň vypráví vědecký příběh,“ řekl DePasquale.

Reakce na první snímky Jamese Webba byla toho příkladem. Nejen vesmírní experti byli nadšeni, když viděli potenciál tohoto nového dalekohledu; členové veřejnosti z celého světa byli také ohromeni, když viděli tyto fascinující nové pohledy na vesmír.

Toto je jen začátek toho, co uvidíme od Webba, se spoustou dalších snímků z dalekohledu, které budou sdíleny v nadcházejících měsících.

DePasquale říká, že reakce veřejnosti na první obrázky je vše, v co doufal. „Bylo úžasné to vidět. Jsou doslova všude. Byly vystaveny na Times Square na všech místech. Bylo to neuvěřitelné."

Doporučení redakce

• James Webb zahlédl prastarý prach, který by mohl pocházet z nejstarších supernov
• Přibližte si úchvatný snímek Jamese Webba a uvidíte galaxii, která vznikla před 13,4 miliardami let
• James Webb zahlédl nejvzdálenější aktivní supermasivní černou díru, která byla kdy objevena
• James Webb zaznamenává vodítka k rozsáhlé struktuře vesmíru
• James Webb detekuje důležitou molekulu v ohromující mlhovině Orion