Kuidas JWST näeb nähtamatuid tähtedevahelisi objekte

James Webbi kosmoseteleskoop jahmatas hiljuti maailma oma esimesed pildid kosmosest, sealhulgas a süvavälja pilt mis näitas infrapunauniversumit sügavamalt kui kunagi varem.

Kuid te ei saa suunata teleskoopi lihtsalt ruumilaigule ja teha fotot. Webbi kogutud andmed tuleb enne avalikkusega jagamist tõlkida infrapunast nähtavale valgusele ning töödelda pildiks.

Nende andmete töötlemine kauniteks kujutisteks on Joe DePasquale kosmoseteleskoobiteadusest. Instituut, kes vastutas mõnede esimeste James Webbi kujutiste, sealhulgas ikoonilise sügavuse töötlemise eest valdkonnas. Ta rääkis meile, mida on vaja, et need uskumatud andmed ellu saaksid.

Pöörlev filtriratas

Andmete kogumiseks paljude eri tüüpi sihtmärkide kohta, mida James Webb jälgib, alates mustadest aukudest kuni eksoplaneetide puhul peavad selle instrumendid suutma mõõta näitu erinevatel lainepikkustel infrapuna. Selleks on selle instrumendid relvastatud filtrirattad, mis on erinevatest materjalidest karussellid, millest igaüks laseb läbi erineva lainepikkusega valguse.

Teadlased valivad, milliseid instrumente ja milliseid lainepikkusi nad soovivad oma vaatlusteks kasutada, ning filtrirattad pöörlevad, et asetada vastav element instrumendi andurite ette. Kuigi liikuvate osade juurutamine sellisesse keerukasse tehnoloogiasse on alati riskantne, on insenerid seda tüüpi seadmetega töötamisel hästi harjutanud. riistvara, kuna sarnaseid filtrirattaid kasutatakse ka teistes kosmoseteleskoopides, nagu Hubble'i kosmoseteleskoop ja Chandra röntgenikiirguse vaatluskeskus.

"On uskumatu, et nendel kosmoselaevadel on need liikuvad osad, mis töötavad aastaid ning on lennuvalmis ja kiirguskindlad," ütles DePasquale.

Kui Webb sihtmärki jälgib, vaatab see esmalt ühe filtri, seejärel teise ja seejärel vajaduse korral rohkema filtri abil. Webbi esimese süvaväljapildi jaoks kasutas see andmeid kuue filtri abil, millest igaüks annab mustvalge pildi. Iga filtrit kasutati kahetunniseks särituseks, lisades kokku kuni 12 tundi vaatlusaega.

Kui andmed on kogutud, saadetakse need eeltöötluseks instrumendimeeskondadele; seejärel toimetatakse see DePasquale'ile. "Saate kuus eraldi pilti, millest igaüks vastab filtrile, millega see tehti," ütles ta. Tema ülesanne on muuta need kuus must-valget pilti üheks vapustavaks kosmosepildiks, mida me armastame imetleda.

Värvi saamiseks ühendage must ja valge

DePasquale saab erineva arvu pilte sõltuvalt sellest, kui palju filtreid teadlased on valinud, seejärel ühendab ta need üheks pildiks. Kaardistades nende filtrite andmed värvikanalitele, loob ta värvilise pildi. Selle töö jaoks kasutab ta kombinatsiooni üldotstarbelistest graafikatöötlustarkvaradest, nagu Adobe Photoshop ja spetsiaalne astronoomiline tarkvara nagu PixInsight, mis töötati algselt välja amatöör-astrofotograafia jaoks.

Filtreid saab kanalitele kaardistada kõikvõimalikel viisidel, kuid tavaliselt ütleb DePasquale, et ta kaardistab punase, rohelise ja sinise kanali või RGB-ga, mida tavaliselt kasutatakse digitaalsete piltide jaoks.

"RGB-vormingus asjade kombineerimine loob tavaliselt kõige loomulikuma pildi, kuna see on tingitud meie silmade olemusest ja sellest, kuidas nad valgust tajuvad," ütles ta. "Meie silmades on koonusrakud, mis reageerivad punasele, rohelisele ja sinisele valgusele. Nii et meie silmad on juba valmis maailma nii tõlgendama.

Sügaval pildil võttis ta kuus filtrit - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W ja F444W, mis on nimetatud vaadeldava lainepikkuse järgi. ja kombineeris kaks lühima lainepikkusega filtrit siniseks, kaks keskmise lainepikkusega filtrit roheliseks ja kaks pikima lainepikkusega filtrit roheliseks. Seejärel kombineeritakse need Adobe Photoshopi ekraani segamisrežiimi abil, mis liidab värvilise pildi saamiseks kihid kokku.

Teistel piltidel, näiteks Webbi kujutisel Carina udukogu, mille töötles DePasquale'i kolleeg Alyssa Pagan, määrati igale kuuele erinevale filtrile oma värv, et valida välja kõik udukogu erinevad tunnused. Kuid see ei töötanud sügaval väljal nii hästi.

"Proovisin anda igale filtrile ainulaadse värvi, " ütles DePasquale. "See võib luua kena pildi, kuid sügava välja puhul see tõesti ei toiminud hästi. See tekitas kummalisi värviartefakte ja galaktikad ei ilmunud nii, nagu peaks. Nii et ma valisin selle lähenemisviisi ja see muutis minu jaoks loomulikuma värvipildi.

Parema välimusega pilt

Seetõttu nõuab pilditöötlustöö nii kunstilist puudutust kui ka teaduslikku arusaama. Protsessori ülesanne on luua pilt, mis ühtaegu täpselt esindab andmeid ja on visuaalselt atraktiivne.

Kui erinevate filtrite andmed on kombineeritud, reguleerib DePasquale pildi värvitasemeid, et muuta midagi atraktiivseks, kuid astronoomilistel põhimõtetel põhineval viisil. Webbi süvaväljakujutise puhul kohandas ta värve, kasutades valge võrdluspunktina konkreetset spiraalgalaktikat ja halli taustana tühja taevalaiku.

"Kui meil on süvavälja pilt või pilt, mille taustal on palju galaktikaid, on minu lähenemine Üldiselt on kogu kujutise valge võrdluspunktina kasutada näoga spiraalgalaktikaid,” ütles ta selgitas.

"Selle põhjuseks on see, et näoga spiraalgalaktikad näitavad tervet tähtede populatsiooni noorimatest tähtedest vanimate tähtedeni, esindades kõiki tähtedes võimalikke värve," ütles ta. “Seega läheme noorte staaride säravast sinisest vanade kollakate tähtede ja kõige vahepealse juurde. Nii et kui kasutate seda valge võrdluspunktina, annab see teile üldiselt kenasti tasakaalustatud pildi."

Sügava välja ilme

Seni on meil ainult kaks vaatluskeskust, mis suudavad luua süvavälja pilte: Hubble ja Webb. Hubble töötab nähtava valguse vahemikus, Webb aga infrapunakiirguses, kuid mõlemad vaatavad kaugeid galaktikaid taeva hämarates osades. Huvitav on võrrelda kõigi sügavate väljade välimust ja näha, kuidas need erinevad.

Webbi piltidel on teiste teleskoopide, näiteks Hubble'i piltidega võrreldes ainulaadne välimus. See on kõige märgatavam heledate tähtede ilmumise viisis, millel on kaheksaharulised difraktsioonipiigid. See on tingitud Webbi peegli kuju ja on omane teleskoobiga jäädvustatud piltidele.

Kuid üldiselt ütleb DePasquale, et tema eesmärk on üldine järjepidevus Webbi ja Hubble'i kogutud piltide vahel. Sõltumata sellest, kuidas andmeid kogutakse, on pildistatavad objektid ju sarnased.

DePasquale ütles, et mis puutub süvaväljapiltidesse, siis "olen sellega palju aastaid töötanud. "Nii et mul on intuitiivne tunne, milline see peaks välja nägema. Ja ma tean, et näoga spiraalgalaktikal peaks olema teatud välimus, kaugetel plekkidel peaks olema teatud toon ja kõik vahepealne peaks välja nägema loomulik.

Infrapuna filosoofia

Üks suur erinevus Webbi ja Hubble'i vahel on see, et Webb on võimeline vaatama veelgi kaugemaid galaktikaid kui Hubble ja paljud neist galaktikatest on nii kaugel, et nende valgusel kulub meieni jõudmiseks väga kaua aega. Kuna universum selle aja jooksul paisub, nihkub see valgus nähtava valguse lainepikkustelt välja infrapunasse protsessis, mida nimetatakse punanihkeks.

See tõstatab mõistatuse: kuidas peaksid pildiprotsessorid kuvama galaktikat, mis oleks nähtamatu meie silmadele punanihke tõttu, kuid mis eraldaks nähtavat valgust, kui see oleks ees meie? Webbi süvaväli on selliseid punanihkega galaktikaid täis ja isegi pildil olev suhteliselt lähem galaktikate peaparv on punanihkes.

"Mõnel inimesel on selle pildi värvide üle filosoofiline vaidlus, sest galaktikaparv on juba nelja ja poole miljardi valgusaasta kaugusel. Seega peaks see tehniliselt olema punase nihkega. See peaks olema palju punasem, kui välja paistab, ”ütles DePasquale.

Kuid ta valib selle asemel andmete esitamise viisil, mis leevendab punanihet, ja kasutab rohkema teabe andmiseks laiemat värvivalikut.

"Selle asemel, et kogu pilt punaseks muuta, tehkem spiraalgalaktika, mida me näeme see kujutab valget võrdluspunkti, nii et kobar muutub nüüd kollase asemel valgeks,” ta ütles. "Ja siis saate värviteavet kõigest muust selle taga. Nii et tõesti, väga kauged galaktikad ilmuvad sellel pildil punaste punktidena ja muud asjad, mis on lähemal, on vähem punased.

Webbi lugu

See lähenemisviis mitte ainult ei aita vaatajatel näha galaktikate mitmekesisust sügaval väljal, vaid tõstab esile ka Webbi erilisi võimeid.

"Webbi lugu on selline, et ta suudab näha kaugeid ja kaugeid galaktikaid, samas kui Hubble jõuab punktini, kus ta neid enam ei näe, kuna need on punanihkes infrapunavalgusesse," ütles ta.

See võime otsida neid suure punase nihkega galaktikaid võimaldab Webbil näha mõningaid kõige varasemaid galaktikaid, mis tekkisid väga noores universumis. Asi pole selles, et Webb oleks lihtsalt võimsam kui Hubble, vaid pigem selles, et nad vaatavad elektromagnetilise spektri erinevaid osi.

Selle muudab keeruliseks asjaolu, et Webbi eraldusvõime muutub vaadeldava lainepikkuse alusel. Pikematel lainepikkustel on selle piltidel madalam eraldusvõime. Kuid see lainepikkuse ja eraldusvõime vaheline suhe ei pruugi olla süvavälja piltidega töötamiseks halb.

"See töötab hästi süvavälja kujutise jaoks, sest pikima lainepikkuse juures on teie tuvastatavad galaktikad need on tõesti nõrgad või väga tolmused ja neil ei pruugi alustuseks olla palju struktuuri," DePasquale ütles. "Nii et kui need on veidi vähem lahendatud, tundub see pildil väga loomulik."

Teaduslikud teadmised ja loominguline vabadus

Pildiprotsessorite, nagu DePasquale, töö on sageli esimene viis, kuidas avalikkus kosmoseteadusega tegeleb, seega on oluline, et see oleks nii täpne kui ka atraktiivne. See nõuab teatud usaldust uurimistööd tegevate teadlaste ja seda tööd avalikkusele tutvustavate töötlejate vahel.

Kuid tema sõnul on enamikul teadlastel hea meel, et nende töö on tõlgitud värvipiltideks. "Olen oma karjääri praegusel hetkel jõudnud punkti, kus mulle on antud loominguline vabadus ilusa pildi loomiseks, kuid inimesed usaldavad et tunnen teadust piisavalt hästi, et suudan luua ilusa värvilise pildi, mis jutustab ka teadusliku loo,” rääkis DePasquale.

Reaktsioon esimestele James Webbi piltidele oli näide. Mitte ainult kosmoseeksperdid on selle uue teleskoobi potentsiaali nähes põnevil olnud; ka avalikkuse liikmed üle maailma on olnud hämmastunud, nähes neid põnevaid uusi kosmosevaateid.

See on alles algus sellele, mida me Webbist näeme, ja järgmiste kuude jooksul jagatakse veel palju teleskoobi pilte.

DePasquale ütleb, et avalikkuse reaktsioon esimestele piltidele on kõik, mida ta lootis. "Seda on olnud hämmastav näha. Neid on sõna otseses mõttes kõikjal. Neid eksponeeriti kõigis kohtades Times Square'il. See on olnud uskumatu."

Toimetajate soovitused

• James Webb märkab iidset tolmu, mis võis pärineda kõige varasematest supernoovadest
• Suumige vapustavat James Webbi pilti, et näha galaktikat, mis tekkis 13,4 miljardit aastat tagasi
• James Webb märkab kõige kaugema aktiivse supermassiivse musta augu, mis eales avastatud
• James Webb leiab vihjeid universumi suuremahulisele struktuurile
• James Webb tuvastab vapustavas Orioni udukogus olulise molekuli