Wie JWST unsichtbare interstellare Objekte sieht

Das James Webb-Weltraumteleskop hat kürzlich die Welt damit verblüfft erste Bilder des Weltraums, einschließlich eines Deep-Field-Bild Das zeigte das Infrarotuniversum in mehr Tiefe als je zuvor.

Aber man kann nicht einfach ein Teleskop auf einen Fleck im Weltraum richten und ein Foto machen. Die von Webb gesammelten Daten müssen vom Infrarot- in das sichtbare Licht umgewandelt und zu einem Bild verarbeitet werden, bevor sie der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden können.

Die Verarbeitung dieser Daten in wunderschöne Bilder ist die Aufgabe von Joe DePasquale vom Space Telescope Science Institute, der für die Verarbeitung einiger der ersten James Webb-Bilder verantwortlich war, darunter das ikonische Deep Feld. Er erzählte uns, was nötig ist, um diese unglaublichen Daten zum Leben zu erwecken.

Ein rotierendes Rad aus Filtern

Um Daten über die vielen verschiedenen Arten von Zielen zu sammeln, die James Webb beobachten wird, von Schwarzen Löchern bis hin zu Exoplaneten müssen ihre Instrumente in der Lage sein, Messungen bei verschiedenen Wellenlängen innerhalb des Exoplaneten durchzuführen Infrarot. Zu diesem Zweck sind seine Instrumente mit bewaffnet FilterräderDabei handelt es sich um Karussells aus unterschiedlichen Materialien, die jeweils unterschiedliche Lichtwellenlängen durchlassen.

Wissenschaftler wählen aus, welche Instrumente und welche Wellenlängen sie für ihre Beobachtungen verwenden möchten, und die Filterräder drehen sich, um das entsprechende Element vor die Sensoren des Instruments zu bringen. Auch wenn der Einbau beweglicher Teile in solch ein komplexes Stück Technik immer ein Risiko darstellt, sind Ingenieure im Umgang mit solchen Teilen bestens geübt Hardware, da ähnliche Filterräder in anderen weltraumgestützten Teleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop und dem Chandra-Röntgenobservatorium verwendet werden.

„Es ist unglaublich, dass diese Raumschiffe über diese beweglichen Teile verfügen, die über Jahre hinweg funktionieren und flugbereit und strahlungsbeständig sind“, sagte DePasquale.

Wenn Webb ein Ziel beobachtet, sucht es zuerst mit einem Filter, dann mit einem anderen und bei Bedarf mit weiteren Filtern. Für Webbs erstes Deep-Field-Bild wurden Daten mit sechs Filtern benötigt, von denen jeder ein Schwarzweißbild erzeugt. Jeder Filter wurde für eine zweistündige Belichtung verwendet, was einer Beobachtungszeit von insgesamt 12 Stunden entspricht.

Sobald die Daten erfasst wurden, werden sie zur Vorverarbeitung an die Instrumententeams gesendet; dann wird es an DePasquale geliefert. „Man erhält sechs Einzelbilder, jedes entspricht dem Filter, mit dem es aufgenommen wurde“, sagte er. Seine Aufgabe ist es, diese sechs Schwarz-Weiß-Bilder in eines der atemberaubenden Bilder des Weltraums zu verwandeln, die wir so gerne bewundern.

Schwarz und Weiß kombinieren, um Farbe zu erzeugen

Je nachdem, wie viele Filter die Forscher gewählt haben, erhält DePasquale unterschiedlich viele Bilder und fügt sie dann zu einem einzigen Bild zusammen. Indem er die Daten dieser Filter auf Farbkanäle abbildet, erstellt er ein Farbbild. Für diese Arbeit verwendet er eine Kombination aus allgemeiner Grafikbearbeitungssoftware wie Adobe Photoshop und spezielle astronomische Software wie PixInsight, die ursprünglich für die Amateur-Astrofotografie entwickelt wurde.

Die Filter können den Kanälen auf alle möglichen Arten zugeordnet werden, aber typischerweise sagt DePasquale, dass er sie den roten, grünen und blauen Kanälen oder RGB zuordnet, die üblicherweise für digitale Bilder verwendet werden.

„Die Kombination von Dingen in RGB erzeugt normalerweise das natürlichste Bild, da dies auf die Natur unserer Augen und die Art und Weise zurückzuführen ist, wie sie Licht wahrnehmen“, sagte er. „Wir haben die Zapfenzellen in unseren Augen, die auf rotes, grünes und blaues Licht reagieren. Unsere Augen sind also bereits darauf vorbereitet, die Welt so zu interpretieren.“

Im Tieffeldbild nahm er die sechs Filter auf – F090W, F150W, F200W, F277W, F356W und F444W, die nach der Wellenlänge benannt sind, bei der sie beobachten – und kombinierte die beiden Filter mit der kürzesten Wellenlänge zu Blau, die beiden Filter mit mittlerer Wellenlänge zu Grün und die beiden Filter mit der längsten Wellenlänge zu Grün. Diese werden dann mithilfe des Bildschirmüberblendungsmodus in Adobe Photoshop kombiniert, der die Ebenen zu einem Farbbild zusammenfügt.

In anderen Bildern, wie dem Webb-Bild des Carina-Nebel, das von DePasquales Kollegin Alyssa Pagan bearbeitet wurde, wurde jedem der sechs verschiedenen Filter eine eigene Farbe zugewiesen, um alle unterschiedlichen Merkmale des Nebels hervorzuheben. Aber das funktionierte im tiefen Feld nicht so gut.

„Ich habe versucht, jedem Filter eine eigene, einzigartige Farbe zu geben“, sagte DePasquale. „Damit kann man ein schönes Bild erzeugen, aber im Falle des tiefen Feldes hat es wirklich nicht gut funktioniert. Es entstanden seltsame Farbartefakte und Galaxien erschienen nicht so, wie sie sollten. Also habe ich mich für diesen Ansatz entschieden und dadurch sah das Farbbild für mich natürlicher aus.“

Ein besser aussehendes Bild

Deshalb erfordert die Arbeit in der Bildbearbeitung neben wissenschaftlichem Verständnis auch eine künstlerische Note. Die Aufgabe eines Prozessors besteht darin, ein Bild zu erstellen, das die Daten genau wiedergibt und gleichzeitig optisch ansprechend ist.

Sobald Daten aus verschiedenen Filtern kombiniert wurden, arbeitet DePasquale daran, die Farbstufen des Bildes anzupassen, um etwas Attraktives zu schaffen, allerdings auf eine Weise, die auf astronomischen Prinzipien basiert. Als es um das Webb-Tieffeldbild ging, passte er die Farben an, indem er eine bestimmte Spiralgalaxie als weißen Referenzpunkt und einen leeren Himmelsfleck als grauen Hintergrund verwendete.

„Wenn wir ein Deep-Field-Bild oder ein Bild mit vielen Galaxien im Hintergrund haben, ist mein Ansatz „Im Allgemeinen werden Spiralgalaxien von vornherein als weißer Bezugspunkt für das gesamte Bild verwendet“, sagte er erklärt.

„Das liegt daran, dass Spiralgalaxien von vornherein eine ganze Population von Sternen zeigen, von den jüngsten bis zu den ältesten Sternen, und alle Farben repräsentieren, die innerhalb von Sternen möglich sind“, sagte er. „Wir gehen also vom leuchtenden Blau junger Sterne zu den alten gelblichen Sternen und allem dazwischen. Wenn Sie dies also als weißen Referenzpunkt verwenden, erhalten Sie insgesamt ein wirklich gut ausgewogenes Bild.“

Das Aussehen eines tiefen Feldes

Bisher verfügen wir nur über zwei Observatorien, die Deep-Field-Bilder erstellen können: Hubble und Webb. Hubble arbeitet im Bereich des sichtbaren Lichts, während Webb im Infrarotbereich arbeitet, aber beide fotografieren entfernte Galaxien in dunklen Teilen des Himmels. Es ist interessant, das Aussehen der einzelnen Tiefenfelder zu vergleichen und zu sehen, wie sie sich unterscheiden.

Bilder von Webb werden im Vergleich zu Bildern von anderen Teleskopen wie Hubble ein ganz eigenes Aussehen haben. Dies macht sich am deutlichsten an der Art und Weise bemerkbar, wie helle Sterne mit ihren charakteristischen achtzackigen Beugungsspitzen erscheinen. Dies liegt daran, dass Form von Webbs Spiegel und ist Bestandteil der mit dem Teleskop aufgenommenen Bilder.

Aber insgesamt sagt DePasquale, dass er eine allgemeine Konsistenz zwischen den von Webb gesammelten Bildern und denen von Hubble anstrebt. Denn unabhängig davon, wie die Daten erfasst werden, sind die abgebildeten Objekte ähnlich.

Wenn es um Deep-Field-Bilder geht, „beschäftige ich mich schon seit vielen Jahren damit“, sagte DePasquale. „Ich habe also ein gewisses intuitives Gespür dafür, wie es aussehen sollte. Und ich weiß, dass eine Spiralgalaxie von vornherein ein bestimmtes Aussehen haben sollte, dass die entfernten Flecken einen bestimmten Farbton haben sollten und dass alles dazwischen natürlich aussehen sollte.“

Eine Philosophie des Infrarots

Ein großer Unterschied zwischen Webb und Hubble besteht darin, dass Webb in der Lage ist, noch weiter entfernte Galaxien zu beobachten als Hubble, und viele dieser Galaxien sind so weit entfernt, dass ihr Licht sehr lange braucht, um uns zu erreichen. Da sich das Universum in dieser Zeit ausdehnt, wird dieses Licht in einem Prozess namens Rotverschiebung aus den Wellenlängen des sichtbaren Lichts in den Infrarotbereich verschoben.

Dies wirft ein Rätsel auf: Wie sollen Bildprozessoren eine Galaxie darstellen, die unsichtbar wäre? für unsere Augen wegen der Rotverschiebung, das aber sichtbares Licht abgeben würde, wenn es davor stünde uns? Das Webb-Tiefenfeld ist voll von solchen rotverschobenen Galaxien, und selbst der relativ nähere Hauptgalaxienhaufen im Bild ist ebenfalls rotverschoben.

„Einige Leute werden einen philosophischen Streit über die Farben in diesem Bild haben, weil der Galaxienhaufen bereits viereinhalb Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Technisch gesehen sollte es also rotverschoben sein. „Das sollte viel roter sein, als es aussieht“, sagte DePasquale.

Stattdessen entscheidet er sich dafür, die Daten auf eine Weise darzustellen, die die Rotverschiebung abschwächt und eine größere Farbpalette verwendet, um mehr Informationen zu liefern.

„Anstatt das gesamte Bild mit einem Rotstich zu versehen, machen wir die Spiralgalaxie, in der wir sehen.“ „Dieses Bild ist der weiße Referenzpunkt, sodass der Cluster jetzt weiß statt gelb wird“, sagte er sagte. „Und dann erhält man Farbinformationen von allem anderen dahinter. Die wirklich, wirklich weit entfernten Galaxien erscheinen in diesem Bild jetzt als rote Punkte, und andere Dinge, die näher sind, sind weniger rot.“

Die Geschichte von Webb

Dieser Ansatz hilft den Zuschauern nicht nur, die Vielfalt der Galaxien im Tiefenfeld zu erkennen, sondern unterstreicht auch die besonderen Fähigkeiten von Webb.

„Die Geschichte mit Webb ist, dass es die weit entfernten Galaxien sehen kann, während Hubble einen Punkt erreicht, an dem es sie nicht mehr sehen kann, weil sie ins Infrarotlicht rotverschoben sind“, sagte er.

Diese Fähigkeit, nach Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu suchen, wird es Webb ermöglichen, einige der frühesten Galaxien zu sehen, die sich im sehr jungen Universum gebildet haben. Es ist nicht so, dass Webb einfach leistungsfähiger ist als Hubble, sondern vielmehr, dass sie verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums untersuchen.

Dies wird durch die Tatsache erschwert, dass sich die Auflösung von Webb je nach betrachteter Wellenlänge ändert. Bei längeren Wellenlängen haben die Bilder eine geringere Auflösung. Aber dieser Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Auflösung ist nicht unbedingt schlecht für die Arbeit mit Tieffeldbildern.

„Es funktioniert gut für das Deep-Field-Bild, weil die Galaxien, die Sie entdecken, bei den längsten Wellenlängen liegen wirklich die schwachen oder die wirklich staubigen, und sie haben möglicherweise von Anfang an nicht viel Struktur“, DePasquale sagte. „Wenn sie also etwas weniger aufgelöst sind, sieht das Bild tatsächlich sehr natürlich aus.“

Wissenschaftliches Wissen und gestalterische Freiheit

Die Arbeit von Bildverarbeitern wie DePasquale ist oft der erste Weg, über den sich die Öffentlichkeit mit der Weltraumwissenschaft auseinandersetzt. Daher ist es wichtig, dass sie sowohl präzise als auch ansprechend ist. Dies erfordert ein gewisses Maß an Vertrauen zwischen den Wissenschaftlern, die die Forschung durchführen, und den Verarbeitern, die diese Arbeit der Öffentlichkeit präsentieren.

Aber seiner Erfahrung nach seien die meisten Wissenschaftler erfreut, wenn ihre Arbeit in Farbbilder umgesetzt werde. „An diesem Punkt meiner Karriere bin ich an einem Punkt angelangt, an dem ich kreative Freiheit habe, ein schönes Bild zu schaffen, aber die Leute vertrauen.“ dass ich die Wissenschaft gut genug kenne, um ein schönes Farbbild erstellen zu können, das auch eine wissenschaftliche Geschichte erzählt“, sagte er DePasquale.

Die Reaktion auf die ersten Bilder von James Webb war ein typisches Beispiel. Nicht nur Weltraumexperten waren vom Potenzial dieses neuen Teleskops begeistert; Auch die Öffentlichkeit aus aller Welt war erstaunt über diese faszinierenden neuen Einblicke in den Kosmos.

Dies ist erst der Anfang dessen, was wir von Webb sehen werden. In den kommenden Monaten werden noch viele weitere Bilder des Teleskops veröffentlicht.

DePasquale sagt, die öffentliche Reaktion auf die ersten Bilder sei alles, was er sich erhofft habe. „Es war erstaunlich zu sehen. Sie sind buchstäblich überall. Sie wurden ausgerechnet auf dem Times Square ausgestellt. Es war unglaublich.“

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