Hvordan JWST ser usynlige interstellare objekter

James Webb-rumteleskopet forbløffede for nylig verden med sit første billeder af rummet, herunder en dyb felt billede der viste det infrarøde univers mere dybde end nogensinde før.

Men du kan ikke bare pege et teleskop mod et område og tage et billede. Dataene indsamlet af Webb skal oversættes fra det infrarøde og til det synlige lys og bearbejdes til et billede, før det kan deles med offentligheden.

At bearbejde disse data til smukke billeder er Joe DePasquales opgave fra Space Telescope Science Instituttet, der var ansvarlig for at behandle nogle af de første James Webb-billeder, inklusive det ikoniske dyb Mark. Han fortalte os, hvad der skal til for at få disse utrolige data til at komme til live.

Et roterende hjul af filtre

At indsamle data om de mange forskellige typer mål, som James Webb vil observere, fra sorte huller til exoplaneter, skal dets instrumenter være i stand til at tage aflæsninger ved forskellige bølgelængder inden for infrarød. For at gøre det er dens instrumenter bevæbnet med filterhjul, som er karruseller af forskellige materialer, som hver tillader forskellige bølgelængder af lys at passere igennem.

Forskere vælger, hvilke instrumenter og hvilke bølgelængder de vil bruge til deres observationer, og filterhjulene roterer for at placere det tilsvarende element foran instrumentets sensorer. Selvom det altid er en risiko at introducere bevægelige dele i et så komplekst stykke teknologi, er ingeniører godt øvede med at arbejde med denne form for hardware efterhånden, da lignende filterhjul bruges i andre rumbaserede teleskoper som Hubble Space Telescope og Chandra X-ray Observatory.

"Det er utroligt, at disse rumfartøjer har disse bevægelige dele i sig, som fortsætter med at fungere i årevis og er flyveklare og strålingshærdede," sagde DePasquale.

Når Webb observerer et mål, vil det først se ved hjælp af et filter, derefter et andet og derefter mere, hvis det kræves. For Webbs første dybe feltbillede tog det data ved hjælp af seks filtre, som hver producerer et sort-hvidt billede. Hvert filter blev brugt til en to-timers eksponering, hvilket giver op til i alt 12 timers observationstid.

Når dataene er blevet indsamlet, sendes de til instrumentteams til forbehandling; derefter bliver den leveret til DePasquale. "Du får seks individuelle billeder, som hver svarer til det filter, det blev taget med," sagde han. Hans opgave er at forvandle disse seks sort-hvide billeder til et af de fantastiske billeder af rummet, vi elsker at beundre.

Kombinere sort og hvid for at skabe farve

DePasquale vil modtage et varierende antal billeder afhængigt af hvor mange filtre forskerne har valgt, derefter vil han kombinere dem til et enkelt billede. Ved at kortlægge data fra disse filtre på farvekanaler skaber han et farvebillede. Til dette arbejde vil han bruge en kombination af grafikredigeringssoftware til generelle formål som Adobe Photoshop og astronomisk specialsoftware som PixInsight, som oprindeligt blev udviklet til amatørastrofotografering.

Filtrene kan kortlægges på kanaler på alle mulige måder, men typisk siger DePasquale, at han vil kortlægge på de røde, grønne og blå kanaler eller RGB, som almindeligvis bruges til digitale billeder.

"At kombinere ting i RGB skaber normalt det mest naturligt udseende billede, da det skyldes naturen af ​​vores øjne, og hvordan de opfatter lys," sagde han. "Vi har keglecellerne i vores øjne, der reagerer på rødt, grønt og blåt lys. Så vores øjne er allerede klar til at fortolke verden på den måde."

I dybfeltsbilledet tog han de seks filtre - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W og F444W, som er opkaldt efter den bølgelængde, de observerer ved - og kombinerede de to korteste bølgelængdefiltre til blåt, de to mellembølgelængdefiltre til grønt og de to længste bølgelængdefiltre til grønt. Disse kombineres derefter ved hjælp af skærmblandingstilstanden i Adobe Photoshop, som føjer lagene sammen for at lave et farvebillede.

I andre billeder, som Webb-billedet af Carina-tågen, som blev behandlet af DePasquales kollega Alyssa Pagan, blev hvert af de seks forskellige filtre tildelt sin egen farve for at udvælge alle de forskellige træk ved tågen. Men det fungerede ikke så godt for det dybe felt.

"Jeg prøvede at give hvert filter sin egen unikke farve," sagde DePasquale. "Det kan skabe et godt billede, men i tilfældet med det dybe felt fungerede det virkelig ikke godt. Det skabte nogle mærkelige farveartefakter, og galakser dukkede ikke op, som de skulle. Så jeg gik med denne tilgang, og den gav mig et mere naturligt farvebillede."

Et bedre udseende billede

Derfor kræver billedbehandlingsarbejde et kunstnerisk præg såvel som videnskabelig forståelse. En processors opgave er at skabe et billede, der både nøjagtigt repræsenterer dataene og er visuelt tiltalende.

Når data fra forskellige filtre er blevet kombineret, arbejder DePasquale på at justere billedets farveniveauer for at gøre noget attraktivt, men på en måde, der er baseret på astronomiske principper. Når det kom til Webb's dybfeltsbillede, justerede han farverne baseret på at bruge en bestemt spiralgalakse som det hvide referencepunkt og en blank plet af himlen som den grå baggrund.

"Når vi har et dybfeltsbillede eller et billede med en masse galakser i baggrunden, er min tilgang generelt er at bruge face-on spiralgalakser som det hvide referencepunkt for hele billedet,” han forklaret.

"Det skyldes, at spiralgalakser med ansigtet viser en hel population af stjerner, fra de yngste stjerner til de ældste stjerner, der repræsenterer alle de farver, der er mulige i stjerner," sagde han. "Så vi går fra unge stjerners klare blå til de gamle gullige stjerner og alt derimellem. Så hvis du bruger det som dit hvide referencepunkt, giver det dig et rigtig flot afbalanceret billede generelt."

Udseendet af et dybt felt

Indtil videre har vi kun to observatorier, der er i stand til at skabe dybe feltbilleder: Hubble og Webb. Hubble opererer i det synlige lysområde, mens Webb opererer i det infrarøde, men begge tager udsigt til fjerne galakser i dunkle dele af himlen. Det er interessant at sammenligne udseendet af dybe felter fra hver og se, hvordan de adskiller sig.

Billeder fra Webb vil have deres eget unikke udseende sammenlignet med billeder fra andre teleskoper såsom Hubble. Dette er mest bemærkelsesværdigt på den måde, lyse stjerner fremstår med deres karakteristiske otte-takkede diffraktionsspidser. Dette skyldes form af Webbs spejl og er iboende for billeder taget med teleskopet.

Men overordnet siger DePasquale, at han sigter efter en generel sammenhæng mellem billeder indsamlet af Webb og dem, der er indsamlet af Hubble. Når alt kommer til alt, uanset hvordan dataene indsamles, er de objekter, der afbildes, ens.

Når det kommer til dybe feltbilleder, "er det noget, jeg har arbejdet med i mange år," sagde DePasquale. ”Så jeg har sådan set en intuitiv fornemmelse af, hvordan det skal se ud. Og jeg ved, at en spiralgalakse skal have et bestemt udseende, de fjerne pletter skal have en bestemt nuance, og alt derimellem skal se naturligt ud."

En filosofi om det infrarøde

En stor forskel mellem Webb og Hubble er, at Webb er i stand til at se på endnu fjernere galakser end Hubble, og mange af disse galakser er så langt væk, at deres lys er meget lang tid om at nå os. Når universet udvider sig i løbet af denne tid, flyttes dette lys ud af de synlige lysbølgelængder og ind i det infrarøde i en proces kaldet rødforskydning.

Dette bringer en gåde op: Hvordan skal billedprocessorer vise en galakse, som ville være usynlig for vores øjne på grund af rødforskydning, men som ville afgive synligt lys, hvis det var foran os? Webbs dybe felt er fyldt med sådanne rødforskydne galakser, og selv den relativt tættere hovedgalaksehob på billedet er også rødforskudt.

"Nogle mennesker vil have et filosofisk argument om farverne i dette billede, fordi galaksehoben allerede er fire en halv milliard lysår væk. Så det burde teknisk set være rødforskudt. Dette burde være meget mere rødt, end det ser ud," sagde DePasquale.

Men han vælger i stedet at præsentere dataene på en måde, der afbøder rødforskydningen og bruger et bredere udvalg af farver til at give mere information.

"I stedet for at få hele billedet til at have en rød støbt over sig, lad os lave den spiralgalakse, vi ser i dette billede det hvide referencepunkt, så klyngen nu bliver hvid i stedet for gul,” han sagde. "Og så får du farveinformation fra alt det andet bagved. Så de virkelig, virkelig fjerne galakser dukker nu op som røde punkter i dette billede, og andre ting, der er tættere på, er mindre røde."

Historien om Webb

Denne tilgang hjælper ikke kun seerne med at se mangfoldigheden af ​​galakser i det dybe felt, men fremhæver også Webbs særlige evner.

"Historien med Webb er, at den kan se de fjerne, fjerne galakser, hvorimod Hubble når til et punkt, hvor den ikke længere kan se dem, fordi de er rødforskudt til infrarødt lys," sagde han.

Denne evne til at lede efter disse galakser med høj rødforskydning er det, der vil gøre Webb i stand til at se nogle af de tidligste galakser, som er dannet i det meget unge univers. Det er ikke, at Webb blot er mere magtfuld end Hubble, men snarere, at de ser på forskellige dele af det elektromagnetiske spektrum.

Dette kompliceres af det faktum, at Webbs opløsning ændres baseret på den bølgelængde, den ser på. Ved længere bølgelængder har billederne lavere opløsning. Men dette forhold mellem bølgelængde og opløsning er ikke nødvendigvis en dårlig ting for at arbejde med dybfeltsbilleder.

"Det fungerer godt for dybe feltbilleder, fordi ved de længste bølgelængder er de galakser, som du registrerer virkelig de svage, eller de virkelig støvede, og de har måske ikke meget struktur til at begynde med," DePasquale sagde. "Så hvis de er lidt mindre opløste, ser det faktisk meget naturligt ud på billedet."

Videnskabelig viden og kreativ frihed

Arbejdet med billedbehandlere som DePasquale er ofte den første måde, hvorpå medlemmer af offentligheden engagerer sig i rumvidenskab, så det er vigtigt, at det er både nøjagtigt og tiltalende. Det kræver en vis grad af tillid mellem de videnskabsmænd, der udfører forskningen, og de processorer, der præsenterer det arbejde for offentligheden.

Men ifølge hans erfaring, siger han, er de fleste videnskabsmænd glade for at se deres arbejde omsat til farvebilleder. "På dette tidspunkt i min karriere er jeg nået til det punkt, hvor jeg får kreativ frihed til at skabe et smukt billede, men folk har tillid til at jeg kender videnskaben godt nok til at kunne skabe et smukt farvebillede, der også fortæller en videnskabelig historie,” sagde DePasquale.

Reaktionen på de første James Webb-billeder var et eksempel på det. Ikke kun rumeksperter har været begejstrede for at se potentialet i dette nye teleskop; medlemmer af offentligheden fra hele verden er også blevet forbløffet over at se disse fascinerende nye syn på kosmos.

Dette er kun begyndelsen på, hvad vi vil se fra Webb, med mange flere billeder fra teleskopet, der skal deles i løbet af de kommende måneder.

DePasquale siger, at den offentlige reaktion på de første billeder er alt, hvad han havde håbet på. "Det har været fantastisk at se. De er bogstaveligt talt overalt. De blev vist på Times Square, af alle steder. Det har været utroligt."

Redaktørens anbefalinger

• James Webb opdager gammelt støv, der kunne være fra de tidligste supernovaer
• Zoom ind på det fantastiske James Webb-billede for at se en galakse dannet for 13,4 milliarder år siden
• James Webb får øje på det fjerneste aktive supermassive sorte hul, der nogensinde er opdaget
• James Webb får øje på ledetråde til universets struktur i stor skala
• James Webb opdager vigtigt molekyle i den fantastiske Orion-tåge