Kuinka JWST näkee näkymättömät tähtienväliset objektit

James Webbin avaruusteleskooppi hämmästytti äskettäin maailmaa ensimmäiset kuvat avaruudesta, mukaan lukien a syväkentän kuva joka osoitti infrapunauniversumin syvemmin kuin koskaan ennen.

Mutta et voi vain osoittaa kaukoputkella tilaa ja ottaa valokuvaa. Webbin keräämät tiedot on käännettävä infrapunasta näkyvään valoon ja prosessoitava kuvaksi ennen kuin ne voidaan jakaa yleisölle.

Näiden tietojen käsittely kauniiksi kuviksi on Joe DePasqualen avaruusteleskooppitieteestä. Institute, joka vastasi joidenkin ensimmäisten James Webb -kuvien, mukaan lukien ikonisen syvän, käsittelystä ala. Hän kertoi meille, mitä tarvitaan, jotta tämä uskomaton data tulee eloon.

Pyörivä suodatinpyörä

Keräämään tietoa monista erilaisista kohteista, joita James Webb tarkkailee, mustista aukoista eksoplaneetoilla, sen instrumenttien on kyettävä ottamaan lukemia eri aallonpituuksilla infrapuna. Tätä varten sen välineet on aseistettu suodatinpyörät, jotka ovat eri materiaaleista valmistettuja karuselleja, joista jokainen päästää eri aallonpituuksilla valon läpi.

Tutkijat valitsevat, mitä laitteita ja mitä aallonpituuksia he haluavat käyttää havaintoihinsa, ja suodatinpyörät pyörivät asettaakseen vastaavan elementin instrumentin antureiden eteen. Vaikka liikkuvien osien sisällyttäminen näin monimutkaiseen tekniikkaan on aina riski, insinöörit ovat hyvin harjoittaneet työskentelemään tämän tyyppisten laitteiden kanssa. laitteisto tähän mennessä, koska samanlaisia ​​suodatinpyöriä käytetään muissa avaruusteleskoopeissa, kuten Hubble-avaruusteleskooppi ja Chandra X-ray Observatory.

"On uskomatonta, että näissä avaruusaluksissa on näitä liikkuvia osia, jotka jatkavat toimintaansa vuosia ja ovat lentovalmiita ja säteilyä kestäviä", DePasquale sanoi.

Kun Webb tarkkailee kohdetta, se näyttää ensin yhdellä suodattimella, sitten toisella ja sitten useammalla tarvittaessa. Webbin ensimmäinen syväkenttäkuva otti tiedot kuudella suodattimella, joista jokainen tuottaa mustavalkoisen kuvan. Kutakin suodatinta käytettiin kahden tunnin valotukseen, mikä lisäsi yhteensä 12 tuntia havaintoaikaa.

Kun tiedot on kerätty, ne lähetetään instrumenttiryhmille esikäsittelyä varten. sitten se toimitetaan DePasqualelle. "Saat kuusi yksittäistä kuvaa, joista jokainen vastaa suodatinta, jolla se on otettu", hän sanoi. Hänen tehtävänsä on muuttaa nämä kuusi mustavalkoista kuvaa yhdeksi upeista avaruuskuvista, joita rakastamme ihailla.

Yhdistämällä mustaa ja valkoista väriä

DePasquale saa vaihtelevan määrän kuvia riippuen siitä, kuinka monta suodatinta tutkijat ovat valinneet, sitten hän yhdistää ne yhdeksi kuvaksi. Kartoittamalla tiedot näistä suodattimista värikanaville, hän luo värikuvan. Tässä työssä hän käyttää yhdistelmää yleiskäyttöisiä grafiikan muokkausohjelmistoja, kuten Adobe Photoshopia ja tähtitieteellinen erikoisohjelmisto, kuten PixInsight, joka kehitettiin alun perin amatööriastrovalokuvaukseen.

Suodattimet voidaan kohdistaa kanaviin kaikenlaisilla tavoilla, mutta tyypillisesti DePasquale sanoo kartoittavansa punaisiin, vihreisiin ja sinisiin kanaviin tai RGB: hen, joita käytetään yleisesti digitaalisissa kuvissa.

"Asioiden yhdistäminen RGB: ssä luo yleensä luonnollisimman näköisen kuvan, koska se johtuu silmiemme luonteesta ja tavasta, jolla ne havaitsevat valon", hän sanoi. "Meillä on silmissämme kartiosolut, jotka reagoivat punaiseen, vihreään ja siniseen valoon. Joten silmämme ovat jo valmiit tulkitsemaan maailmaa sillä tavalla."

Syvän kentän kuvassa hän otti kuusi suodatinta - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W ja F444W, jotka on nimetty aallonpituuden mukaan, jolla ne havaitsevat. ja yhdisti kaksi lyhimmän aallonpituuden suodatinta siniseksi, kaksi keskiaallonpituussuodatinta vihreäksi ja kaksi pisintä aallonpituussuodatinta vihreäksi. Nämä yhdistetään sitten Adobe Photoshopin näytön sekoitustilassa, joka lisää kerrokset yhteen värikuvaksi.

Muissa kuvissa, kuten Webb-kuvassa Carina-sumu, jonka DePasqualen kollega Alyssa Pagan käsitteli, jokaiselle kuudesta eri suodattimesta määritettiin oma värinsä poimimaan kaikki sumun eri piirteet. Mutta se ei toiminut niin hyvin syvällä alalla.

"Yritin antaa jokaiselle suodattimelle oman ainutlaatuisen värinsä", DePasquale sanoi. "Se voi luoda mukavan kuvan, mutta syväkentän tapauksessa se ei todellakaan toiminut hyvin. Se loi outoja väriesineitä ja galaksit eivät ilmestyneet niin kuin niiden pitäisi. Joten valitsin tämän lähestymistavan, ja se teki minulle luonnollisemman värikuvan."

Paremman näköinen kuva

Siksi kuvankäsittelytyö vaatii taiteellista kosketusta ja tieteellistä ymmärrystä. Prosessorin tehtävänä on luoda kuva, joka edustaa tietoja tarkasti ja on visuaalisesti houkutteleva.

Kun eri suodattimien tiedot on yhdistetty, DePasquale säätää kuvan väritasoja saadakseen jotain houkuttelevaa, mutta tavalla, joka perustuu tähtitieteellisiin periaatteisiin. Webb-syvän kentän kuvan suhteen hän sääti värejä käyttämällä tiettyä spiraaligalaksia valkoisena vertailupisteenä ja tyhjää taivasta harmaana taustana.

”Kun meillä on syväkenttäkuva tai kuva, jossa on paljon galakseja taustalla, minun lähestymistapani yleensä on käyttää kasvot vastakkain olevia spiraaligalakseja valkoisena vertailupisteenä koko kuvalle", hän selitti.

"Tämä johtuu siitä, että kasvot vastakkain olevissa spiraaligalakseissa on kokonainen tähtipopulaatio nuorimmista tähdistä vanhimpiin tähtiin edustaen kaikkia värejä, jotka ovat mahdollisia tähtien sisällä", hän sanoi. "Nyt siirrymme nuorten tähtien kirkkaasta sinisestä vanhoihin kellertäviin tähtiin ja kaikkeen siltä väliltä. Joten jos käytät sitä valkoisena vertailukohtana, saat todella kauniisti tasapainoisen kokonaiskuvan."

Syvän kentän ilme

Toistaiseksi meillä on vain kaksi observatoriota, jotka pystyvät luomaan syväkentän kuvia: Hubble ja Webb. Hubble toimii näkyvän valon alueella, kun taas Webb toimii infrapunassa, mutta molemmat näkevät kaukaisia ​​galakseja taivaan hämärissä osissa. On mielenkiintoista verrata kunkin syvän kenttien ulkoasua ja nähdä, miten ne eroavat toisistaan.

Webbin kuvilla on oma ainutlaatuinen ulkoasu verrattuna muiden kaukoputkien, kuten Hubblen, kuviin. Tämä on havaittavinta tavassa, jolla kirkkaat tähdet ilmestyvät, ja niillä on erottuva kahdeksankärkinen diffraktiopiikki. Tämä johtuu siitä Webbin peilin muoto ja kuuluu kaukoputkella otettuihin kuviin.

Mutta kaiken kaikkiaan DePasquale sanoo pyrkivänsä yleiseen johdonmukaisuuteen Webbin ja Hubblen keräämien kuvien välillä. Loppujen lopuksi kuvattavat kohteet ovat samanlaisia ​​riippumatta siitä, miten tiedot kerätään.

Mitä tulee syväkentän kuviin, "olen työskennellyt sen kanssa monta vuotta", DePasquale sanoi. ”Joten minulla on tavallaan intuitiivinen käsitys siitä, miltä sen pitäisi näyttää. Ja tiedän, että kasvot vastakkaisella spiraaligalaksilla pitäisi olla tietty ulkonäkö, kaukaisilla tahroilla pitäisi olla tietty sävy ja kaiken siltä väliltä pitäisi näyttää luonnolliselta.

Infrapuna-filosofia

Yksi suuri ero Webbin ja Hubblen välillä on se, että Webb pystyy katsomaan vieläkin kauempana olevia galakseja kuin Hubble, ja monet näistä galakseista ovat niin kaukana, että niiden valon saavuttaminen meihin kestää hyvin kauan. Kun universumi laajenee tänä aikana, tämä valo siirtyy pois näkyvän valon aallonpituuksista infrapunaan prosessissa, jota kutsutaan punasiirtymäksi.

Tämä herättää ongelman: Miten kuvaprosessorien pitäisi näyttää galaksi, joka olisi näkymätön silmiimme punasiirtymän vuoksi, mutta joka antaisi näkyvää valoa, jos se olisi edessä meille? Webb-syväkenttä on täynnä tällaisia ​​punasiirtyneitä galakseja, ja jopa kuvan suhteellisen lähempänä oleva päägalaksijoukko on myös punasiirtynyt.

"Joillakin ihmisillä on filosofinen argumentti tämän kuvan väreistä, koska galaksijoukko on jo neljän ja puolen miljardin valovuoden päässä. Joten sen pitäisi teknisesti olla punasiirtymä. Tämän pitäisi olla paljon punaisempaa kuin miltä se näyttää", DePasquale sanoi.

Mutta sen sijaan hän päättää esittää tiedot tavalla, joka vähentää punasiirtymää, ja käyttää laajempaa värivalikoimaa antaakseen lisätietoja.

"Sen sijaan, että koko kuva saa punaisen sävyn päälle, tehdään spiraaligalaksi, jonka näemme tämä kuvaa valkoisen vertailupisteen, niin että klusteri muuttuu nyt valkoiseksi keltaisen sijaan”, hän sanoi. "Ja sitten saat väritietoa kaikesta muusta sen takana. Joten todella, todella kaukaiset galaksit näkyvät nyt punaisina pisteinä tässä kuvassa, ja muut lähempänä olevat asiat ovat vähemmän punaisia."

Webbin tarina

Tämä lähestymistapa ei ainoastaan ​​auta katsojia näkemään galaksien monimuotoisuutta syvällä kentässä, vaan myös korostaa Webbin erityisiä kykyjä.

"Webin tarina on, että se näkee kaukaiset, kaukaiset galaksit, kun taas Hubble pääsee pisteeseen, ettei se enää näe niitä, koska ne ovat punasiirtyneet infrapunavaloon", hän sanoi.

Tämä kyky etsiä näitä korkean punasiirtymän galakseja mahdollistaa sen, että Webb näkee joitain varhaisimmista galakseista, jotka muodostuivat hyvin nuoressa universumissa. Kyse ei ole siitä, että Webb olisi yksinkertaisesti tehokkaampi kuin Hubble, vaan pikemminkin siitä, että he katsovat sähkömagneettisen spektrin eri osia.

Tätä monimutkaistaa se, että Webbin resoluutio muuttuu sen tarkasteleman aallonpituuden perusteella. Pidemmillä aallonpituuksilla sen kuvien resoluutio on pienempi. Mutta tämä aallonpituuden ja resoluution välinen suhde ei välttämättä ole huono asia syväkentän kuvien kanssa työskentelyssä.

"Se toimii hyvin syväkentän kuvassa, koska pisimmillä aallonpituuksilla havaitsemasi galaksit ovat todella heikkoja tai todella pölyisiä, ja niillä ei ehkä ole alkuunkaan paljon rakennetta", DePasquale sanoi. "Joten jos ne ovat hieman vähemmän ratkaistuja, se näyttää itse asiassa hyvin luonnolliselta kuvassa."

Tieteellinen tieto ja luova vapaus

DePasqualen kaltaisten kuvankäsittelyohjelmien työ on usein ensimmäinen tapa, jolla yleisö osallistuu avaruustieteen pariin, joten on tärkeää, että se on sekä tarkkaa että houkuttelevaa. Tämä edellyttää tiettyä luottamusta tutkimusta suorittavien tutkijoiden ja tätä työtä yleisölle esittelevien prosessorien välillä.

Mutta hänen kokemuksensa mukaan useimmat tutkijat ovat iloisia nähdessään työnsä muunnettavan värikuviksi. ”Tässä urani vaiheessa olen päässyt siihen pisteeseen, että minulle on annettu luova vapaus luoda kaunis kuva, mutta ihmiset luottavat että tunnen tieteen niin hyvin, että pystyn luomaan kauniin värikuvan, joka kertoo myös tieteellisen tarinan”, sanoi DePasquale.

Reaktio ensimmäisiin James Webb -kuviin oli esimerkki. Avaruusasiantuntijat eivät ole vain olleet innoissaan nähdessään tämän uuden kaukoputken mahdollisuudet; yleisön jäsenet ympäri maailmaa ovat myös olleet hämmästyneitä nähdessään nämä kiehtovat uudet näkymät kosmoksesta.

Tämä on vasta alkua sille, mitä näemme Webbistä, ja paljon lisää kuvia kaukoputkesta jaetaan tulevina kuukausina.

DePasquale sanoo, että yleisön reaktio ensimmäisiin kuviin on kaikkea sitä, mitä hän oli toivonut. "Se on ollut mahtavaa nähdä. Niitä on kirjaimellisesti kaikkialla. Ne olivat esillä Times Squarella kaikissa paikoissa. Se on ollut uskomatonta."

Toimittajien suositukset

• James Webb havaitsee muinaisen pölyn, joka saattoi olla varhaisimmista supernovoista
• Zoomaa upeaan James Webb -kuvaan nähdäksesi galaksin, joka muodostui 13,4 miljardia vuotta sitten
• James Webb havaitsee kaukaisimman koskaan löydetyn aktiivisen supermassiivisen mustan aukon
• James Webb havaitsee vihjeitä maailmankaikkeuden laajamittaisesta rakenteesta
• James Webb havaitsee tärkeän molekyylin upeasta Orion-sumusta