Kako JWST vidi nevidljive međuzvjezdane objekte

Svemirski teleskop James Webb nedavno je zaprepastio svijet svojim prve slike svemira, uključujući a slika dubokog polja koji je pokazao infracrveni svemir dublje nego ikad prije.

Ali ne možete samo usmjeriti teleskop na komadić svemira i snimiti fotografiju. Podaci koje prikuplja Webb moraju se prevesti iz infracrvenog u vidljivo svjetlo i obraditi u sliku prije nego što se mogu podijeliti s javnošću.

Obrada ovih podataka u prekrasne slike posao je Joea DePasqualea iz Space Telescope Science Institute, koji je bio odgovoran za obradu nekih od prvih slika Jamesa Webba, uključujući legendarni dubinski polje. Rekao nam je što je potrebno da bi ovi nevjerojatni podaci zaživjeli.

Rotirajući kotač filtera

Za prikupljanje podataka o mnogim različitim vrstama meta koje će James Webb promatrati, od crnih rupa do egzoplaneta, njegovi instrumenti moraju moći očitavati različite valne duljine unutar infracrveni. Da bi to učinio, njegovi instrumenti su naoružani filtarski kotači, koji su vrtuljci od različitih materijala koji propuštaju različite valne duljine svjetlosti.

Znanstvenici odabiru koje instrumente i koje valne duljine žele koristiti za svoja promatranja, a kotačići filtera se okreću kako bi postavili odgovarajući element ispred senzora instrumenta. Iako je uvođenje pokretnih dijelova u tako složenu tehnologiju uvijek rizik, inženjeri su dobro uvježbani u radu s ovom vrstom hardvera do sada, budući da se slični filtarski kotači koriste u drugim svemirskim teleskopima poput svemirskog teleskopa Hubble i rendgenskog opservatorija Chandra.

"Nevjerojatno je da ove letjelice imaju te pokretne dijelove u sebi koji nastavljaju funkcionirati godinama te su spremni za let i otporni na radijaciju", rekao je DePasquale.

Kada Webb promatra metu, ona će prvo izgledati koristeći jedan filtar, zatim drugi, a zatim više ako je potrebno. Webb je za prvu sliku dubokog polja uzeo podatke koristeći šest filtera, od kojih svaki proizvodi crno-bijelu sliku. Svaki je filtar korišten za dvosatnu ekspoziciju, što je zbrojilo ukupno 12 sati promatranja.

Nakon što se podaci prikupe, šalju se timovima za instrumente na pretprocesiranje; zatim se isporučuje DePasqualeu. "Dobivate šest pojedinačnih slika, od kojih svaka odgovara filteru s kojim je snimljena", rekao je. Njegov zadatak je tih šest crno-bijelih slika pretvoriti u jednu od zadivljujućih slika svemira kojima se volimo diviti.

Kombinacija crnog i bijelog za stvaranje boje

DePasquale će dobiti različit broj slika ovisno o tome koliko su filtera odabrali istraživači, a zatim će ih kombinirati u jednu sliku. Preslikavanjem podataka iz ovih filtara na kanale boja, on stvara sliku u boji. Za ovaj posao koristit će kombinaciju softvera za uređivanje grafike opće namjene poput Adobe Photoshopa i specijalizirani astronomski softver poput PixInsighta, koji je izvorno razvijen za amatersku astrofotografiju.

Filtri se mogu preslikati na kanale na razne načine, ali obično, DePasquale kaže da će preslikati na crvene, zelene i plave kanale ili RGB, koji se obično koriste za digitalne slike.

“Kombiniranje stvari u RGB obično stvara sliku najprirodnijeg izgleda, jer je to zbog prirode naših očiju i načina na koji percipiraju svjetlost”, rekao je. “Imamo čunjićne stanice u našim očima koje reagiraju na crveno, zeleno i plavo svjetlo. Dakle, naše su oči već spremne za tumačenje svijeta na taj način.”

Na slici dubokog polja uzeo je šest filtera - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W i F444W, koji su nazvani po valnoj duljini na kojoj promatraju - i spojio dva filtra najkraće valne duljine u plavo, dva filtra srednje valne duljine u zeleno i dva filtra najdulje valne duljine u zeleno. Oni se zatim kombiniraju pomoću načina stapanja zaslona u Adobe Photoshopu, koji dodaje slojeve kako bi se dobila slika u boji.

Na drugim slikama, poput Webbove slike Carina maglica, koji je obradila DePasqualeova kolegica Alyssa Pagan, svakom od šest različitih filtara dodijeljena je vlastita boja kako bi se odabrale sve različite značajke maglice. Ali to nije tako dobro funkcioniralo za duboko polje.

"Pokušao sam dati svakom filtru vlastitu jedinstvenu boju", rekao je DePasquale. “To može stvoriti lijepu sliku, ali u slučaju dubokog polja stvarno nije dobro funkcioniralo. Stvarala je neke čudne artefakte u boji i galaksije se nisu pojavljivale kako bi trebale. Pa sam pristao na ovaj pristup i napravio mi je sliku u boji prirodnijeg izgleda.”

Slika koja izgleda bolje

Zbog toga posao obrade slike zahtijeva umjetnički dodir, kao i znanstveno razumijevanje. Posao procesora je stvoriti sliku koja točno predstavlja podatke i vizualno je privlačna.

Nakon što se podaci iz različitih filtara kombiniraju, DePasquale radi na prilagodbi razina boja slike kako bi napravio nešto privlačno, ali na način koji se temelji na astronomskim načelima. Kada je u pitanju Webbova slika dubokog polja, prilagodio je boje na temelju korištenja određene spiralne galaksije kao bijele referentne točke i praznog dijela neba kao sive pozadine.

“Kada imamo sliku dubokog polja ili sliku s mnogo galaksija u pozadini, moj pristup općenito je koristiti okrenute spiralne galaksije kao bijelu referentnu točku za cijelu sliku,” rekao je objasnio.

"To je zato što će spiralne galaksije licem okrenute prikazati čitavu populaciju zvijezda, od najmlađih zvijezda do najstarijih zvijezda, koje predstavljaju sve moguće boje unutar zvijezda", rekao je. “Tako da idemo od svijetle plave boje mladih zvijezda do staro žućkastih zvijezda i svega između. Dakle, ako to koristite kao referentnu točku bijele boje, to vam daje stvarno lijepo uravnoteženu sliku u cjelini.”

Izgled dubokog polja

Do sada imamo samo dvije zvjezdarnice koje mogu stvoriti slike dubokog polja: Hubble i Webb. Hubble radi u rasponu vidljivog svjetla, dok Webb radi u infracrvenom, ali oba snimaju udaljene galaksije u nejasnim dijelovima neba. Zanimljivo je usporediti izgled dubokih polja svakoga i vidjeti kako se razlikuju.

Slike iz Webba imat će svoj jedinstveni izgled u usporedbi sa slikama iz drugih teleskopa kao što je Hubble. To je najviše vidljivo u načinu na koji se pojavljuju svijetle zvijezde, sa svojim prepoznatljivim osmerokrakim difrakcijskim šiljcima. To je zbog obliku Webbovog zrcala i svojstveno je slikama snimljenim teleskopom.

Ali općenito, DePasquale kaže da mu je cilj opća dosljednost između slika koje je prikupio Webb i onih koje je prikupio Hubble. Uostalom, bez obzira na to kako su podaci prikupljeni, objekti koji se snimaju slični su.

Kad je riječ o slikama dubokog polja, "to je nešto s čime radim mnogo godina", rekao je DePasquale. “Tako da nekako imam intuitivan osjećaj kako bi to trebalo izgledati. I znam da bi spiralna galaksija okrenuta licem trebala imati određeni izgled, daleke mrlje trebaju imati određenu nijansu, a sve između treba izgledati prirodno.”

Filozofija infracrvenog zračenja

Jedna velika razlika između Webba i Hubblea je ta što je Webb sposoban gledati čak i udaljenije galaksije nego Hubble, a mnoge od tih galaksija su toliko udaljene da njihovoj svjetlosti treba jako puno vremena da dopre do nas. Kako se svemir tijekom tog vremena širi, ovo svjetlo se pomiče iz valnih duljina vidljive svjetlosti u infracrveno u procesu koji se naziva crveni pomak.

Ovo dovodi do zagonetke: Kako bi slikovni procesori trebali prikazati galaksiju koja bi bila nevidljiva našim očima zbog crvenog pomaka, ali koji bi emitirao vidljivu svjetlost da je ispred nas? Duboko polje Webba puno je takvih galaksija s crvenim pomakom, a čak je i relativno bliži glavni klaster galaksija na slici također pomaknut u crveno.

“Neki ljudi će imati filozofsku raspravu o bojama na ovoj slici, jer je klaster galaksija već udaljen četiri i pol milijarde svjetlosnih godina. Dakle, tehnički bi trebao biti pomaknut u crveno. Ovo bi trebalo biti puno crvenije nego što izgleda”, rekao je DePasquale.

No umjesto toga odabire prikazati podatke na način koji ublažava crveni pomak i koristi širi raspon boja kako bi pružio više informacija.

“Umjesto da cijela slika ima crveni odljev preko nje, napravimo spiralnu galaksiju koju vidimo u ova slika je bijela referentna točka, tako da grozd sada postaje bijel umjesto žut,” on rekao je. “I onda, dobivate informacije o boji od svega ostalog iza toga. Dakle, stvarno, stvarno daleke galaksije sada se prikazuju kao crvene točke na ovoj slici, a druge stvari koje su bliže su manje crvene."

Priča o Webbu

Ovaj pristup ne samo da pomaže gledateljima da vide raznolikost galaksija u dubokom polju, već također naglašava posebne sposobnosti Webba.

"Priča s Webbom je da može vidjeti daleke, daleke galaksije, dok Hubble dođe do točke kada ih više ne može vidjeti jer su se crveno pomaknule u infracrveno svjetlo", rekao je.

Ova mogućnost traženja galaksija s velikim crvenim pomakom ono je što će Webbu omogućiti da vidi neke od najranijih galaksija koje su nastale u vrlo mladom svemiru. Ne radi se o tome da je Webb jednostavno moćniji od Hubblea, već da oni promatraju različite dijelove elektromagnetskog spektra.

Ovo je komplicirano činjenicom da se Webbova rezolucija mijenja ovisno o valnoj duljini koju gleda. Na većim valnim duljinama njegove slike imaju manju rezoluciju. Ali ovaj odnos između valne duljine i rezolucije nije nužno loša stvar za rad sa slikama dubokog polja.

"Dobro radi za sliku dubokog polja jer su na najvećim valnim duljinama galaksije koje otkrivate one stvarno blijede, ili one stvarno prašnjave, i možda nemaju puno strukture u početku,” DePasquale rekao je. "Dakle, ako su malo manje riješeni, to zapravo izgleda vrlo prirodno na slici."

Znanstveno znanje i kreativna sloboda

Rad procesora slike poput DePasqualea često je prvi način na koji se građani bave svemirskom znanošću, stoga je važno da bude točan i privlačan. Za to je potreban stupanj povjerenja između znanstvenika koji provode istraživanje i obrađivača koji taj rad prezentiraju javnosti.

Ali prema njegovom iskustvu, kaže on, većina znanstvenika je oduševljena kad vidi svoj rad pretočen u slike u boji. “U ovoj fazi moje karijere došao sam do točke kada mi je dana kreativna sloboda da stvorim prekrasnu sliku, ali ljudi vjeruju da poznajem znanost dovoljno dobro da mogu stvoriti prekrasnu sliku u boji koja također priča znanstvenu priču,” rekao je DePasquale.

Reakcija na prve slike Jamesa Webba bila je primjer. Nisu samo svemirski stručnjaci bili uzbuđeni vidjeti potencijal ovog novog teleskopa; članovi javnosti iz cijelog svijeta također su bili zadivljeni gledajući ove fascinantne nove poglede na kozmos.

Ovo je samo početak onoga što ćemo vidjeti od Webba, s još mnogo slika iz teleskopa koje ćemo podijeliti tijekom sljedećih mjeseci.

DePasquale kaže da je reakcija javnosti na prve slike sve čemu se nadao. “Bilo je nevjerojatno vidjeti. Ima ih doslovno posvuda. Bile su izložene na Times Squareu, od svih drugih mjesta. Bilo je nevjerojatno.”

Preporuke urednika

• James Webb uočava drevnu prašinu koja bi mogla biti iz najranijih supernova
• Zumirajte zadivljujuću sliku Jamesa Webba da vidite galaksiju formiranu prije 13,4 milijarde godina
• James Webb uočava najudaljeniju aktivnu supermasivnu crnu rupu ikada otkrivenu
• James Webb pronalazi tragove velike strukture svemira
• James Webb otkriva važnu molekulu u zapanjujućoj Orionovoj maglici