Πώς το JWST βλέπει αόρατα διαστρικά αντικείμενα

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb πρόσφατα κατέπληξε τον κόσμο με το πρώτες εικόνες του διαστήματος, συμπεριλαμβανομένου α εικόνα σε βαθύ πεδίο που έδειξε το υπέρυθρο σύμπαν σε μεγαλύτερο βάθος από ποτέ.

Αλλά δεν μπορείτε απλώς να στρέφετε ένα τηλεσκόπιο σε ένα κομμάτι του διαστήματος και να τραβήξετε μια φωτογραφία. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τον Webb πρέπει να μεταφραστούν από το υπέρυθρο και στο ορατό φως και να υποβληθούν σε επεξεργασία σε μια εικόνα προτού μπορέσουν να μοιραστούν με το κοινό.

Η επεξεργασία αυτών των δεδομένων σε όμορφες εικόνες είναι δουλειά του Joe DePasquale του Space Telescope Science Ινστιτούτο, ο οποίος ήταν υπεύθυνος για την επεξεργασία ορισμένων από τις πρώτες εικόνες του James Webb, συμπεριλαμβανομένου του εμβληματικού deep πεδίο. Μας είπε τι χρειάζεται για να ζωντανέψουν αυτά τα απίστευτα δεδομένα.

Περιστρεφόμενος τροχός φίλτρων

Να συγκεντρώσει δεδομένα για τους πολλούς διαφορετικούς τύπους στόχων που θα παρατηρήσει ο James Webb, από μαύρες τρύπες έως εξωπλανήτες, τα όργανά του πρέπει να είναι σε θέση να λαμβάνουν μετρήσεις σε διαφορετικά μήκη κύματος εντός του υπέρυθρες. Για να γίνει αυτό, τα όργανά του είναι οπλισμένα με τροχούς φίλτρου, τα οποία είναι καρουζέλ διαφορετικών υλικών που το καθένα επιτρέπει να περάσει διαφορετικά μήκη κύματος φωτός.

Οι επιστήμονες επιλέγουν ποια όργανα και ποια μήκη κύματος θέλουν να χρησιμοποιήσουν για τις παρατηρήσεις τους και οι τροχοί του φίλτρου περιστρέφονται για να βάλουν το αντίστοιχο στοιχείο μπροστά από τους αισθητήρες του οργάνου. Ενώ η εισαγωγή κινητών μερών σε ένα τόσο περίπλοκο κομμάτι τεχνολογίας είναι πάντα ένας κίνδυνος, οι μηχανικοί είναι καλά εξασκημένοι στην εργασία με αυτό το είδος υλικό μέχρι τώρα, καθώς παρόμοιοι τροχοί φίλτρου χρησιμοποιούνται σε άλλα διαστημικά τηλεσκόπια όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και το Παρατηρητήριο ακτίνων Χ Chandra.

«Είναι απίστευτο ότι αυτά τα διαστημόπλοια έχουν μέσα τους αυτά τα κινούμενα μέρη που συνεχίζουν να λειτουργούν για χρόνια και είναι έτοιμα για πτήση και σκληρυμένα από την ακτινοβολία», είπε ο DePasquale.

Όταν ο Webb παρατηρεί έναν στόχο, θα φαίνεται πρώτα χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο, μετά ένα άλλο και μετά περισσότερα εάν απαιτείται. Για την πρώτη εικόνα σε βάθος πεδίου του Webb, χρειάστηκαν δεδομένα χρησιμοποιώντας έξι φίλτρα, καθένα από τα οποία παράγει μια ασπρόμαυρη εικόνα. Κάθε φίλτρο χρησιμοποιήθηκε για έκθεση δύο ωρών, προσθέτοντας συνολικά 12 ώρες χρόνου παρατήρησης.

Μόλις συλλεχθούν τα δεδομένα, αποστέλλονται σε ομάδες οργάνων για προεπεξεργασία. στη συνέχεια, παραδίδεται στον DePasquale. «Παίρνετε έξι μεμονωμένες εικόνες, η καθεμία αντιστοιχεί στο φίλτρο με το οποίο τραβήχτηκε», είπε. Το καθήκον του είναι να μετατρέψει αυτές τις έξι ασπρόμαυρες εικόνες σε μια από τις εκπληκτικές εικόνες του διαστήματος που λατρεύουμε να θαυμάζουμε.

Συνδυάζοντας μαύρο και άσπρο για να φτιάξετε χρώμα

Ο DePasquale θα λάβει ποικίλο αριθμό εικόνων ανάλογα με το πόσα φίλτρα έχουν επιλέξει οι ερευνητές και στη συνέχεια θα τα συνδυάσει σε μία εικόνα. Αντιστοιχίζοντας δεδομένα από αυτά τα φίλτρα σε έγχρωμα κανάλια, δημιουργεί μια έγχρωμη εικόνα. Για αυτήν την εργασία, θα χρησιμοποιήσει έναν συνδυασμό λογισμικού επεξεργασίας γραφικών γενικής χρήσης, όπως το Adobe Photoshop και εξειδικευμένο αστρονομικό λογισμικό όπως το PixInsight, το οποίο αναπτύχθηκε αρχικά για ερασιτεχνική αστροφωτογραφία.

Τα φίλτρα μπορούν να αντιστοιχιστούν σε κανάλια με όλους τους τρόπους, αλλά συνήθως, ο DePasquale λέει ότι θα αντιστοιχίσει στα κόκκινα, πράσινα και μπλε κανάλια ή RGB, τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως για ψηφιακές εικόνες.

«Ο συνδυασμός πραγμάτων σε RGB δημιουργεί συνήθως την πιο φυσική εικόνα, καθώς αυτό οφείλεται στη φύση των ματιών μας και στο πώς αντιλαμβάνονται το φως», είπε. «Έχουμε τα κωνικά κύτταρα στα μάτια μας που ανταποκρίνονται στο κόκκινο, πράσινο και μπλε φως. Έτσι τα μάτια μας είναι ήδη προετοιμασμένα να ερμηνεύσουν τον κόσμο με αυτόν τον τρόπο».

Στην εικόνα σε βαθύ πεδίο, πήρε τα έξι φίλτρα — F090W, F150W, F200W, F277W, F356W και F444W, τα οποία ονομάστηκαν για το μήκος κύματος στο οποίο παρατηρούν — και συνδύασε τα δύο φίλτρα μικρότερου μήκους κύματος σε μπλε, τα δύο φίλτρα μεσαίου μήκους κύματος σε πράσινο και τα δύο φίλτρα μεγαλύτερου μήκους κύματος σε πράσινο. Στη συνέχεια, αυτά συνδυάζονται χρησιμοποιώντας τη λειτουργία ανάμειξης οθόνης στο Adobe Photoshop, το οποίο προσθέτει τα επίπεδα μαζί για να δημιουργήσει μια έγχρωμη εικόνα.

Σε άλλες εικόνες, όπως η εικόνα Webb του Νεφέλωμα Carina, το οποίο επεξεργάστηκε η συνάδελφος του DePasquale, Alyssa Pagan, σε καθένα από τα έξι διαφορετικά φίλτρα εκχωρήθηκε το δικό του χρώμα για να διαλέξει όλα τα διαφορετικά χαρακτηριστικά του νεφελώματος. Αλλά αυτό δεν λειτούργησε τόσο καλά για το βαθύ πεδίο.

«Προσπάθησα να δώσω σε κάθε φίλτρο το δικό του μοναδικό χρώμα», είπε ο DePasquale. «Αυτό μπορεί να δημιουργήσει μια ωραία εικόνα, αλλά στην περίπτωση του βαθιού πεδίου δεν λειτουργούσε καλά. Δημιουργούσε μερικά παράξενα χρωματικά τεχνουργήματα και οι γαλαξίες δεν εμφανίζονταν όπως θα έπρεπε. Ακολούθησα λοιπόν αυτή την προσέγγιση και μου έκανε μια πιο φυσική έγχρωμη εικόνα».

Καλύτερη εικόνα

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η εργασία επεξεργασίας εικόνας απαιτεί μια καλλιτεχνική πινελιά καθώς και επιστημονική κατανόηση. Η δουλειά ενός επεξεργαστή είναι να δημιουργήσει μια εικόνα που αντιπροσωπεύει με ακρίβεια τα δεδομένα και είναι οπτικά ελκυστική.

Αφού συνδυαστούν δεδομένα από διαφορετικά φίλτρα, ο DePasquale εργάζεται για την προσαρμογή των επιπέδων χρώματος της εικόνας για να κάνει κάτι ελκυστικό, αλλά με τρόπο που βασίζεται σε αστρονομικές αρχές. Όταν επρόκειτο για την εικόνα βαθιού πεδίου Webb, προσάρμοσε τα χρώματα με βάση τη χρήση ενός συγκεκριμένου σπειροειδούς γαλαξία ως λευκού σημείου αναφοράς και ενός κενού τμήματος του ουρανού ως γκρι φόντο.

«Όταν έχουμε μια εικόνα σε βαθύ πεδίο ή μια εικόνα με πολλούς γαλαξίες στο βάθος, η προσέγγισή μου γενικά είναι να χρησιμοποιούμε σπειροειδείς γαλαξίες πρόσωπο με πρόσωπο ως το λευκό σημείο αναφοράς για ολόκληρη την εικόνα», είπε εξήγησε.

"Αυτό συμβαίνει επειδή οι σπειροειδείς γαλαξίες με πρόσωπο με πρόσωπο θα εμφανίζουν έναν ολόκληρο πληθυσμό αστεριών, από τα νεότερα αστέρια έως τα παλαιότερα αστέρια, που αντιπροσωπεύουν όλα τα χρώματα που είναι δυνατά μέσα στα αστέρια", είπε. «Περνάμε λοιπόν από τα λαμπερά μπλουζ των νεαρών σταρ στα παλιά κιτρινωπά αστέρια και σε όλα τα ενδιάμεσα. Έτσι, αν το χρησιμοποιήσετε ως λευκό σημείο αναφοράς, θα σας δώσει μια πραγματικά καλά ισορροπημένη εικόνα συνολικά."

Το βλέμμα ενός βαθύ πεδίου

Μέχρι στιγμής, έχουμε μόνο δύο παρατηρητήρια ικανά να δημιουργήσουν εικόνες σε βαθύ πεδίο: το Hubble και το Webb. Το Hubble λειτουργεί στην περιοχή του ορατού φωτός, ενώ το Webb λειτουργεί στο υπέρυθρο, αλλά και οι δύο βλέπουν μακρινούς γαλαξίες σε αμυδρά σημεία του ουρανού. Είναι ενδιαφέρον να συγκρίνετε την εμφάνιση των βαθιών πεδίων από το καθένα και να δείτε πώς διαφέρουν.

Οι εικόνες από το Webb θα έχουν τη δική τους μοναδική εμφάνιση σε σύγκριση με εικόνες από άλλα τηλεσκόπια όπως το Hubble. Αυτό είναι πιο αισθητό στον τρόπο που εμφανίζονται τα φωτεινά αστέρια, με τις χαρακτηριστικές οκτάκτινες αιχμές περίθλασής τους. Αυτό οφείλεται στο σχήμα του καθρέφτη του Webb και είναι εγγενές στις εικόνες που λαμβάνονται με το τηλεσκόπιο.

Αλλά συνολικά, ο DePasquale λέει ότι στοχεύει σε μια γενική συνέπεια μεταξύ των εικόνων που συλλέγονται από τον Webb και εκείνων που συλλέγονται από το Hubble. Άλλωστε, ανεξάρτητα από το πώς συλλέγονται τα δεδομένα, τα αντικείμενα που απεικονίζονται είναι παρόμοια.

Όταν πρόκειται για εικόνες σε βαθύ πεδίο, «αυτό είναι κάτι με το οποίο εργάζομαι για πολλά χρόνια», είπε ο DePasquale. «Έτσι έχω μια διαισθητική αίσθηση του πώς θα έπρεπε να μοιάζει. Και ξέρω ότι ένας σπειροειδής γαλαξίας πρόσωπο με πρόσωπο πρέπει να έχει μια συγκεκριμένη όψη, οι μακρινές μουντζούρες θα πρέπει να έχουν μια συγκεκριμένη απόχρωση και οτιδήποτε ενδιάμεσο θα πρέπει να φαίνεται φυσικό.»

Μια φιλοσοφία του υπέρυθρου

Μια μεγάλη διαφορά μεταξύ του Webb και του Hubble είναι ότι ο Webb μπορεί να κοιτάζει ακόμα πιο μακρινούς γαλαξίες από το Hubble, και πολλοί από αυτούς τους γαλαξίες είναι τόσο μακριά που το φως τους χρειάζεται πολύ χρόνο για να φτάσει σε εμάς. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, αυτό το φως μετατοπίζεται από τα μήκη κύματος του ορατού φωτός και στο υπέρυθρο σε μια διαδικασία που ονομάζεται μετατόπιση προς το κόκκινο.

Αυτό φέρνει ένα αίνιγμα: Πώς θα έπρεπε οι επεξεργαστές εικόνας να εμφανίζουν έναν γαλαξία που θα ήταν αόρατος στα μάτια μας λόγω της μετατόπισης του κόκκινου, αλλά που θα εκπέμπει ορατό φως αν ήταν μπροστά μας? Το βαθύ πεδίο Webb είναι γεμάτο από τέτοιους μετατοπισμένους γαλαξίες, και ακόμη και το σχετικά πιο κοντινό κύριο σμήνος γαλαξιών στην εικόνα είναι επίσης μετατοπισμένο στο κόκκινο.

«Μερικοί άνθρωποι θα έχουν ένα φιλοσοφικό επιχείρημα σχετικά με τα χρώματα σε αυτήν την εικόνα, επειδή το σμήνος γαλαξιών βρίσκεται ήδη τεσσεράμισι δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Άρα τεχνικά θα πρέπει να μετατοπιστεί στο κόκκινο. Αυτό θα πρέπει να είναι πολύ πιο κόκκινο από όσο φαίνεται», είπε ο DePasquale.

Αντίθετα, όμως επιλέγει να παρουσιάσει τα δεδομένα με τρόπο που μετριάζει την κόκκινη μετατόπιση και χρησιμοποιεί ένα ευρύτερο φάσμα χρωμάτων για να δώσει περισσότερες πληροφορίες.

«Αντί να κάνουμε ολόκληρη την εικόνα να έχει ένα κόκκινο γύψο πάνω της, ας φτιάξουμε τον σπειροειδή γαλαξία που βλέπουμε αυτή η εικόνα είναι το λευκό σημείο αναφοράς, έτσι ώστε το σύμπλεγμα να γίνει τώρα λευκό αντί για κίτρινο», είπε είπε. «Και μετά, λαμβάνετε πληροφορίες χρώματος από οτιδήποτε άλλο πίσω από αυτό. Έτσι, οι πραγματικά, πολύ μακρινοί γαλαξίες εμφανίζονται τώρα ως κόκκινα σημεία σε αυτήν την εικόνα και άλλα πράγματα που είναι πιο κοντά είναι λιγότερο κόκκινο».

Η ιστορία του Webb

Αυτή η προσέγγιση όχι μόνο βοηθά τους θεατές να δουν την ποικιλομορφία των γαλαξιών στο βαθύ πεδίο, αλλά υπογραμμίζει επίσης τις ιδιαίτερες ικανότητες του Webb.

«Η ιστορία με τον Webb είναι ότι μπορεί να δει τους μακρινούς, μακρινούς γαλαξίες, ενώ το Hubble φτάνει σε ένα σημείο που δεν μπορεί πλέον να τους δει επειδή έχουν μετατοπιστεί στο κόκκινο φως στο υπέρυθρο φως», είπε.

Αυτή η ικανότητα αναζήτησης αυτών των γαλαξιών υψηλής μετατόπισης προς το κόκκινο είναι που θα επιτρέψει στον Webb να δει μερικούς από τους πρώτους γαλαξίες που σχηματίστηκαν στο πολύ νεαρό σύμπαν. Δεν είναι ότι ο Webb είναι απλώς πιο ισχυρός από το Hubble, αλλά μάλλον ότι εξετάζουν διαφορετικά μέρη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Αυτό περιπλέκεται από το γεγονός ότι η ανάλυση του Webb αλλάζει με βάση το μήκος κύματος που κοιτάζει. Σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, οι εικόνες του έχουν χαμηλότερη ανάλυση. Αλλά αυτή η σχέση μεταξύ μήκους κύματος και ανάλυσης δεν είναι απαραίτητα κακή για την εργασία με εικόνες βαθιού πεδίου.

«Λειτουργεί καλά για την εικόνα σε βαθύ πεδίο, επειδή στα μεγαλύτερα μήκη κύματος οι γαλαξίες που ανιχνεύετε είναι πραγματικά τα αχνά, ή τα πραγματικά σκονισμένα, και μπορεί να μην έχουν πολλή δομή για αρχή», DePasquale είπε. "Επομένως, αν είναι λίγο λιγότερο επιλυμένα, στην πραγματικότητα φαίνεται πολύ φυσικό στην εικόνα."

Επιστημονική γνώση και δημιουργική ελευθερία

Η εργασία των επεξεργαστών εικόνας όπως ο DePasquale είναι συχνά ο πρώτος τρόπος με τον οποίο τα μέλη του κοινού ασχολούνται με την επιστήμη του διαστήματος, επομένως είναι σημαντικό να είναι ακριβές και ελκυστικό. Αυτό απαιτεί έναν βαθμό εμπιστοσύνης μεταξύ των επιστημόνων που εκτελούν την έρευνα και των επεξεργαστών που παρουσιάζουν αυτή την εργασία στο κοινό.

Αλλά από την εμπειρία του, λέει, οι περισσότεροι επιστήμονες χαίρονται που βλέπουν τη δουλειά τους να μεταφράζεται σε έγχρωμες εικόνες. «Σε αυτό το σημείο της καριέρας μου, έχω φτάσει στο σημείο όπου μου δίνεται δημιουργική ελευθερία να δημιουργήσω μια όμορφη εικόνα, αλλά οι άνθρωποι εμπιστεύονται ότι γνωρίζω την επιστήμη αρκετά καλά ώστε να μπορώ να δημιουργήσω μια όμορφη έγχρωμη εικόνα που λέει επίσης μια επιστημονική ιστορία», είπε DePasquale.

Η αντίδραση στις πρώτες εικόνες του James Webb ήταν ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα. Όχι μόνο οι ειδικοί του διαστήματος έχουν ενθουσιαστεί με το να δουν τις δυνατότητες αυτού του νέου τηλεσκοπίου. μέλη του κοινού από όλο τον κόσμο έχουν μείνει έκπληκτοι βλέποντας αυτές τις συναρπαστικές νέες απόψεις του σύμπαντος.

Αυτή είναι μόνο η αρχή αυτού που θα δούμε από το Webb, με πολλές περισσότερες εικόνες από το τηλεσκόπιο που θα κοινοποιηθούν τους επόμενους μήνες.

Ο DePasquale λέει ότι η αντίδραση του κοινού στις πρώτες εικόνες είναι όλα όσα ήλπιζε. «Ήταν καταπληκτικό να το δεις. Βρίσκονται κυριολεκτικά παντού. Εκτέθηκαν στην Times Square, όλων των χώρων. Ήταν απίστευτο.”

Συστάσεις των συντακτών

• Ο Τζέιμς Γουέμπ εντοπίζει αρχαία σκόνη που θα μπορούσε να είναι από τα πρώτα σουπερνόβα
• Μεγεθύνετε την εκπληκτική εικόνα του James Webb για να δείτε έναν γαλαξία που σχηματίστηκε πριν από 13,4 δισεκατομμύρια χρόνια
• Ο Τζέιμς Γουέμπ εντοπίζει την πιο μακρινή ενεργή υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που έχει ανακαλυφθεί ποτέ
• Ο James Webb εντοπίζει ενδείξεις για τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος
• Ο James Webb ανιχνεύει σημαντικό μόριο στο εκπληκτικό νεφέλωμα του Ωρίωνα