Cómo JWST ve objetos interestelares invisibles

El telescopio espacial James Webb sorprendió recientemente al mundo con su primeras imágenes del espacio, incluyendo un imagen de campo profundo que mostró el universo infrarrojo con más profundidad que nunca.

Pero no se puede simplemente apuntar un telescopio a una zona del espacio y tomar una fotografía. Los datos recopilados por Webb deben traducirse del infrarrojo a la luz visible y procesarse en una imagen antes de poder compartirla con el público.

Procesar estos datos en hermosas imágenes es el trabajo de Joe DePasquale del Space Telescope Science. Institute, que fue responsable de procesar algunas de las primeras imágenes de James Webb, incluida la icónica profundidad campo. Nos contó lo que se necesita para que estos increíbles datos cobren vida.

Una rueda giratoria de filtros.

Para recopilar datos sobre los diferentes tipos de objetivos que observará James Webb, desde agujeros negros hasta exoplanetas, sus instrumentos deben poder tomar lecturas en diferentes longitudes de onda dentro del infrarrojo. Para ello, sus instrumentos están armados con ruedas de filtro, que son carruseles de diferentes materiales que permiten el paso de diferentes longitudes de onda de luz.

Los científicos seleccionan qué instrumentos y qué longitudes de onda quieren usar para sus observaciones, y las ruedas de filtros giran para colocar el elemento correspondiente frente a los sensores del instrumento. Si bien siempre es un riesgo introducir piezas móviles en una pieza de tecnología tan compleja, los ingenieros tienen mucha experiencia trabajando con este tipo de hardware a estas alturas, ya que se utilizan ruedas de filtros similares en otros telescopios espaciales como el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio de rayos X Chandra.

"Es increíble que estas naves espaciales tengan piezas móviles que continúen funcionando durante años y estén listas para volar y resistentes a la radiación", dijo DePasquale.

Cuando Webb observa un objetivo, lo hará primero usando un filtro, luego otro y luego más si es necesario. Para la primera imagen de campo profundo de Webb, tomó datos utilizando seis filtros, cada uno de los cuales produce una imagen en blanco y negro. Cada filtro se utilizó durante una exposición de dos horas, sumando un total de 12 horas de tiempo de observación.

Una vez que se han recopilado los datos, se envían a los equipos de instrumentos para su preprocesamiento; luego, se entrega a DePasquale. “Obtienes seis imágenes individuales, cada una correspondiente al filtro con el que fue tomada”, dijo. Su tarea es convertir esas seis imágenes en blanco y negro en una de las impresionantes imágenes del espacio que nos encanta admirar.

Combinando blanco y negro para crear color.

DePasquale recibirá una cantidad variable de imágenes dependiendo de cuántos filtros hayan elegido los investigadores, luego las combinará en una sola imagen. Al asignar datos de estos filtros a canales de color, crea una imagen en color. Para este trabajo, utilizará una combinación de software de edición de gráficos de uso general como Adobe Photoshop y software astronómico especializado como PixInsight, que se desarrolló originalmente para la astrofotografía amateur.

Los filtros se pueden asignar a los canales de muchas maneras, pero normalmente, DePasquale dice que los asignará a los canales rojo, verde y azul, o RGB, que se usan comúnmente para imágenes digitales.

"La combinación de cosas en RGB generalmente crea la imagen de aspecto más natural, ya que eso se debe a la naturaleza de nuestros ojos y a cómo perciben la luz", dijo. “Tenemos conos en nuestros ojos que responden a la luz roja, verde y azul. Así que nuestros ojos ya están preparados para interpretar el mundo de esa manera”.

En la imagen de campo profundo, tomó los seis filtros (F090W, F150W, F200W, F277W, F356W y F444W, que reciben el nombre de la longitud de onda a la que observan). y combinó los dos filtros de longitud de onda más corta en azul, los dos filtros de longitud de onda media en verde y los dos filtros de longitud de onda más larga en verde. Luego se combinan usando el modo de fusión de pantalla en Adobe Photoshop, que suma las capas para crear una imagen en color.

En otras imágenes, como la imagen de Webb del Nebulosa Carina, que fue procesada por la colega de DePasquale, Alyssa Pagan, a cada uno de los seis filtros diferentes se le asignó su propio color para resaltar todas las diferentes características de la nebulosa. Pero eso no funcionó tan bien para el campo profundo.

"Intenté darle a cada filtro su propio color único", dijo DePasquale. “Eso puede crear una imagen bonita, pero en el caso del campo profundo realmente no funcionó bien. Estaba creando algunos artefactos de colores extraños y las galaxias no aparecían como deberían. Así que elegí este enfoque y me dio una imagen en color de apariencia más natural”.

Una imagen más atractiva

Es por eso que el trabajo de procesamiento de imágenes requiere un toque artístico además de comprensión científica. El trabajo de un procesador es crear una imagen que represente con precisión los datos y sea visualmente atractiva.

Una vez que se han combinado los datos de diferentes filtros, DePasquale trabaja para ajustar los niveles de color de la imagen para hacer algo atractivo, pero de una manera basada en principios astronómicos. Cuando llegó la imagen de campo profundo de Webb, ajustó los colores basándose en el uso de una galaxia espiral particular como punto de referencia blanco y una porción de cielo en blanco como fondo gris.

“Cuando tenemos una imagen de campo profundo o una imagen con muchas galaxias de fondo, mi enfoque "Por lo general, se utilizan galaxias espirales enfrentadas como punto de referencia blanco para toda la imagen", explicó. explicado.

"Esto se debe a que las galaxias espirales enfrentadas mostrarán una población completa de estrellas, desde las más jóvenes hasta las más antiguas, que representan todos los colores posibles dentro de las estrellas", dijo. “Así que pasamos de los azules brillantes de las estrellas jóvenes a las estrellas amarillentas más viejas y todo lo demás. Entonces, si lo usas como punto de referencia del blanco, obtendrás una imagen general muy bien equilibrada”.

La mirada de un campo profundo

Hasta ahora, sólo tenemos dos observatorios capaces de crear imágenes de campo profundo: Hubble y Webb. Hubble opera en el rango de luz visible, mientras que Webb opera en el infrarrojo, pero ambos están tomando vistas de galaxias distantes en partes oscuras del cielo. Es interesante comparar el aspecto de los campos profundos de cada uno y ver en qué se diferencian.

Las imágenes de Webb tendrán un aspecto único en comparación con las imágenes de otros telescopios como el Hubble. Esto es más notable en la forma en que aparecen las estrellas brillantes, con sus distintivos picos de difracción de ocho puntas. Esto se debe a la forma del espejo de Webb y es inherente a las imágenes capturadas con el telescopio.

Pero en general, DePasquale dice que su objetivo es lograr una coherencia general entre las imágenes recopiladas por Webb y las recopiladas por Hubble. Después de todo, independientemente de cómo se recopilen los datos, los objetos de los que se obtienen imágenes son similares.

Cuando se trata de imágenes de campo profundo, "es algo con lo que he estado trabajando durante muchos años", dijo DePasquale. “Así que tengo una idea intuitiva de cómo debería verse. Y sé que una galaxia espiral vista de frente debería tener un aspecto determinado, las manchas distantes deberían tener un tono determinado y todo lo que hay en el medio debería parecer natural”.

Una filosofía del infrarrojo

Una gran diferencia entre Webb y Hubble es que Webb es capaz de observar galaxias aún más distantes. que Hubble, y muchas de estas galaxias están tan lejos que su luz tarda mucho en llegar hasta nosotros. A medida que el universo se expande durante este tiempo, esta luz se desplaza fuera de las longitudes de onda de la luz visible hacia el infrarrojo en un proceso llamado corrimiento al rojo.

Esto plantea un enigma: ¿Cómo deberían los procesadores de imágenes mostrar una galaxia que sería invisible? a nuestros ojos debido al corrimiento al rojo, pero que emitiría luz visible si estuviera frente a nosotros. ¿a nosotros? El campo profundo de Webb está lleno de galaxias desplazadas al rojo, e incluso el cúmulo de galaxias principal relativamente más cercano en la imagen también está desplazado al rojo.

“Algunas personas tendrán una discusión filosófica sobre los colores de esta imagen, porque el cúmulo de galaxias ya se encuentra a cuatro mil quinientos millones de años luz de distancia. Por lo que técnicamente debería desplazarse al rojo. Esto debería ser mucho más rojo de lo que parece”, dijo DePasquale.

Pero, en cambio, opta por presentar los datos de una manera que mitigue el corrimiento al rojo y utiliza una gama más amplia de colores para brindar más información.

“En lugar de hacer que toda la imagen tenga un tono rojo, hagamos que la galaxia espiral que vemos en "Esta imagen es el punto de referencia blanco, por lo que el grupo ahora se vuelve blanco en lugar de amarillo", dicho. “Y luego, obtienes información sobre el color de todo lo que hay detrás. Así que las galaxias muy, muy distantes ahora aparecen como puntos rojos en esta imagen, y otras galaxias que están más cerca son menos rojas”.

La historia de Webb.

Este enfoque no sólo ayuda a los espectadores a ver la diversidad de galaxias en el campo profundo, sino que también resalta las habilidades particulares de Webb.

"La historia con Webb es que puede ver galaxias muy, muy distantes, mientras que Hubble llega a un punto en el que ya no puede verlas porque se han desplazado al rojo hacia la luz infrarroja", dijo.

Esta capacidad de buscar estas galaxias de alto corrimiento al rojo es lo que permitirá a Webb ver algunas de las primeras galaxias que se formaron en el universo muy joven. No es que Webb sea simplemente más poderoso que Hubble, sino que están observando diferentes partes del espectro electromagnético.

Esto se complica por el hecho de que la resolución de Webb cambia según la longitud de onda que mira. En longitudes de onda más largas, sus imágenes tienen menor resolución. Pero esta relación entre longitud de onda y resolución no es necesariamente mala para trabajar con imágenes de campo profundo.

"Funciona bien para la imagen de campo profundo porque en las longitudes de onda más largas las galaxias que estás detectando son realmente los débiles, o los muy polvorientos, y es posible que, para empezar, no tengan mucha estructura”, DePasquale dicho. "Entonces, si están un poco menos resueltos, en realidad se ve muy natural en la imagen".

Conocimiento científico y libertad creativa.

El trabajo de procesadores de imágenes como DePasquale es a menudo la primera forma en que el público se involucra con la ciencia espacial, por lo que es importante que sea preciso y atractivo. Eso requiere cierto grado de confianza entre los científicos que realizan la investigación y los procesadores que presentan ese trabajo al público.

Pero según su experiencia, dice, la mayoría de los científicos están encantados de ver su trabajo traducido en imágenes en color. “En este punto de mi carrera, he llegado al punto en el que me dan libertad creativa para crear una imagen hermosa, pero la gente confía que conozco la ciencia lo suficiente como para poder crear una hermosa imagen en color que también cuente una historia científica”, dijo DePasquale.

La reacción a las primeras imágenes de James Webb fue un buen ejemplo. No sólo los expertos espaciales se han emocionado al ver el potencial de este nuevo telescopio; El público de todo el mundo también se ha sorprendido al ver estas nuevas y fascinantes vistas del cosmos.

Esto es solo el comienzo de lo que veremos desde Webb, con muchas más imágenes del telescopio que se compartirán en los próximos meses.

DePasquale dice que la reacción del público a las primeras imágenes es todo lo que esperaba. “Ha sido increíble verlo. Están literalmente en todas partes. Fueron exhibidos en Times Square, de todos los lugares. Ha sido increíble”.

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