Bagaimana JWST Melihat Objek Antarbintang yang Tak Terlihat

Teleskop Luar Angkasa James Webb baru-baru ini mengejutkan dunia dengan penemuannya gambar pertama ruang, termasuk a gambar lapangan dalam yang menunjukkan alam semesta inframerah lebih dalam dari sebelumnya.

Namun Anda tidak bisa begitu saja mengarahkan teleskop ke sebidang ruang dan mengambil foto. Data yang dikumpulkan oleh Webb harus diterjemahkan dari inframerah dan menjadi cahaya tampak dan diproses menjadi sebuah gambar sebelum dapat dibagikan kepada publik.

Memproses data ini menjadi gambar yang indah adalah tugas Joe DePasquale dari Space Telescope Science Institute, yang bertanggung jawab memproses beberapa gambar pertama James Webb termasuk gambar dalam yang ikonik bidang. Dia memberi tahu kami apa yang diperlukan untuk mewujudkan data luar biasa ini.

Roda filter yang berputar

Untuk mengumpulkan data tentang berbagai jenis target yang akan diamati James Webb, mulai dari lubang hitam hingga exoplanet, instrumennya harus mampu membaca pada panjang gelombang berbeda di dalamnya inframerah. Untuk melakukan itu, instrumennya dipersenjatai roda penyaring, yang merupakan komidi putar dari bahan berbeda yang masing-masing memungkinkan panjang gelombang cahaya berbeda untuk melewatinya.

Para ilmuwan memilih instrumen apa dan panjang gelombang apa yang ingin mereka gunakan untuk pengamatan mereka, dan roda filter berputar untuk menempatkan elemen yang sesuai di depan sensor instrumen. Meskipun memasukkan komponen bergerak ke dalam teknologi yang rumit selalu menimbulkan risiko, para insinyur sudah berpengalaman dalam bekerja dengan teknologi semacam ini. perangkat keras saat ini, karena roda filter serupa juga digunakan di teleskop berbasis ruang angkasa lainnya seperti Teleskop Luar Angkasa Hubble dan Observatorium Sinar-X Chandra.

“Sungguh luar biasa bahwa pesawat ruang angkasa ini memiliki bagian-bagian bergerak di dalamnya yang terus berfungsi selama bertahun-tahun dan siap terbang serta tahan radiasi,” kata DePasquale.

Saat Webb mengamati suatu target, target tersebut akan terlihat terlebih dahulu menggunakan satu filter, lalu filter lainnya, dan kemudian filter lainnya jika diperlukan. Untuk gambar deep field pertama Webb, dibutuhkan data menggunakan enam filter yang masing-masing menghasilkan gambar hitam putih. Setiap filter digunakan untuk eksposur dua jam, sehingga total waktu observasi menjadi 12 jam.

Setelah data dikumpulkan, data dikirim ke tim instrumen untuk diproses terlebih dahulu; kemudian, dikirim ke DePasquale. “Anda mendapatkan enam gambar individual, masing-masing sesuai dengan filter yang digunakan,” katanya. Tugasnya adalah mengubah enam gambar hitam-putih tersebut menjadi salah satu gambar luar angkasa menakjubkan yang kita kagumi.

Menggabungkan hitam dan putih untuk menghasilkan warna

DePasquale akan menerima jumlah gambar yang bervariasi tergantung berapa banyak filter yang dipilih peneliti, kemudian dia akan menggabungkannya menjadi satu gambar. Dengan memetakan data dari filter ini ke saluran warna, dia menciptakan gambar berwarna. Untuk pekerjaan ini, dia akan menggunakan kombinasi perangkat lunak pengedit grafis untuk tujuan umum seperti Adobe Photoshop dan perangkat lunak astronomi khusus seperti PixInsight, yang awalnya dikembangkan untuk astrofotografi amatir.

Filter dapat dipetakan ke saluran dengan berbagai cara, tetapi biasanya, DePasquale mengatakan dia akan memetakan ke saluran merah, hijau, dan biru, atau RGB, yang biasa digunakan untuk gambar digital.

“Menggabungkan berbagai hal dalam RGB biasanya menghasilkan gambar yang terlihat paling alami, hal ini disebabkan oleh sifat mata kita dan cara mereka memandang cahaya,” katanya. “Kami memiliki sel kerucut di mata kami yang responsif terhadap cahaya merah, hijau, dan biru. Jadi mata kita sudah siap untuk menafsirkan dunia seperti itu.”

Dalam gambar lapangan dalam, ia mengambil enam filter — F090W, F150W, F200W, F277W, F356W, dan F444W, yang diberi nama berdasarkan panjang gelombang pengamatannya — dan menggabungkan dua filter dengan panjang gelombang terpendek menjadi biru, dua filter dengan panjang gelombang sedang menjadi hijau, dan dua filter dengan panjang gelombang terpanjang menjadi hijau. Ini kemudian digabungkan menggunakan mode pencampuran layar di Adobe Photoshop, yang menambahkan lapisan-lapisan tersebut untuk membuat gambar berwarna.

Di gambar lain, seperti gambar Webb Nebula Carina, yang diproses oleh rekan DePasquale, Alyssa Pagan, masing-masing dari enam filter berbeda diberi warnanya sendiri untuk memilih semua fitur berbeda dari nebula. Tapi itu tidak berhasil dengan baik untuk deep field.

“Saya memang mencoba memberikan warna unik pada setiap filter,” kata DePasquale. “Itu bisa menciptakan gambar yang bagus tetapi dalam kasus lapangan dalam, hal itu tidak berjalan dengan baik. Itu menciptakan beberapa artefak warna yang aneh dan galaksi tidak muncul sebagaimana mestinya. Jadi saya menggunakan pendekatan ini, dan ini membuat gambar berwarna tampak lebih alami bagi saya.”

Gambar yang tampak lebih baik

Oleh karena itu, karya pengolahan citra memerlukan sentuhan artistik dan pemahaman ilmiah. Tugas prosesor adalah membuat gambar yang mewakili data secara akurat dan menarik secara visual.

Setelah data dari berbagai filter digabungkan, DePasquale berupaya menyesuaikan tingkat warna gambar untuk membuat sesuatu menjadi menarik, namun dengan cara yang didasarkan pada prinsip astronomi. Terkait gambar deep field Webb, dia menyesuaikan warnanya berdasarkan penggunaan galaksi spiral tertentu sebagai titik referensi putih dan sepetak langit kosong sebagai latar belakang abu-abu.

“Saat kita memiliki gambar deep field atau gambar dengan banyak galaksi di latar belakang, pendekatan saya umumnya menggunakan galaksi spiral tatap muka sebagai titik referensi putih untuk keseluruhan gambar,” katanya menjelaskan.

“Itu karena galaksi spiral yang menghadap ke depan akan menampilkan seluruh populasi bintang, dari bintang termuda hingga bintang tertua, mewakili semua warna yang mungkin ada di dalam bintang,” katanya. “Jadi kita beralih dari bintang-bintang muda yang berwarna biru cerah ke bintang-bintang kekuningan tua dan segala sesuatu di antaranya. Jadi jika Anda menggunakannya sebagai titik referensi putih, itu memberi Anda gambar yang sangat seimbang secara keseluruhan.”

Tampilan lapangan yang dalam

Sejauh ini, kami hanya memiliki dua observatorium yang mampu menghasilkan gambar lapangan dalam: Hubble dan Webb. Hubble beroperasi pada rentang cahaya tampak, sedangkan Webb beroperasi pada rentang inframerah, namun keduanya memotret galaksi-galaksi jauh di bagian langit yang redup. Sangat menarik untuk membandingkan tampilan deep field dari masing-masing bidang dan melihat perbedaannya.

Gambar dari Webb akan memiliki tampilan unik tersendiri dibandingkan gambar dari teleskop lain seperti Hubble. Hal ini paling terlihat dari penampakan bintang terang, dengan lonjakan difraksi berujung delapan yang khas. Hal ini disebabkan oleh bentuk cermin Webb dan melekat pada gambar yang diambil dengan teleskop.

Namun secara keseluruhan, DePasquale mengatakan ia bertujuan untuk mendapatkan konsistensi umum antara gambar yang dikumpulkan oleh Webb dan yang dikumpulkan oleh Hubble. Bagaimanapun, bagaimana pun cara pengumpulan datanya, objek yang dicitrakan tetaplah serupa.

Mengenai gambar lapangan dalam, “itu adalah sesuatu yang telah saya kerjakan selama bertahun-tahun,” kata DePasquale. “Jadi, saya memiliki intuisi tentang seperti apa tampilannya. Dan saya tahu bahwa galaksi spiral yang menghadap ke depan seharusnya memiliki tampilan tertentu, noda di kejauhan harus memiliki rona tertentu, dan segala sesuatu di antaranya harus terlihat alami.”

Filosofi inframerah

Salah satu perbedaan besar antara Webb dan Hubble adalah Webb mampu melihat galaksi yang lebih jauh dibandingkan Hubble, dan banyak dari galaksi-galaksi ini letaknya sangat jauh sehingga cahayanya membutuhkan waktu yang sangat lama untuk mencapai kita. Ketika alam semesta mengembang selama waktu ini, cahaya ini bergeser keluar dari panjang gelombang cahaya tampak dan menuju inframerah dalam proses yang disebut pergeseran merah.

Hal ini menimbulkan teka-teki: Bagaimana seharusnya pengolah gambar menampilkan galaksi yang tidak terlihat ke mata kita karena pergeseran merah, tapi akan memancarkan cahaya tampak jika berada di depannya kita? Bidang dalam Webb penuh dengan galaksi-galaksi yang mengalami pergeseran merah, dan bahkan gugus galaksi utama yang relatif lebih dekat pada gambar tersebut juga mengalami pergeseran merah.

“Beberapa orang akan mempunyai argumen filosofis tentang warna pada gambar ini, karena gugus galaksi sudah berjarak empat setengah miliar tahun cahaya. Jadi secara teknis harus digeser merah. Seharusnya warnanya lebih merah daripada yang terlihat,” kata DePasquale.

Namun dia memilih untuk menyajikan data dengan cara yang mengurangi pergeseran merah dan menggunakan rentang warna yang lebih luas untuk memberikan lebih banyak informasi.

“Daripada membuat seluruh gambar memiliki warna merah, mari kita buat galaksi spiral yang kita lihat gambar ini titik acuannya yang berwarna putih, sehingga clusternya sekarang menjadi putih, bukan kuning,” dia dikatakan. “Dan kemudian, Anda mendapatkan informasi warna dari segala sesuatu di baliknya. Jadi galaksi-galaksi yang sangat, sangat jauh kini terlihat sebagai titik merah pada gambar ini, dan galaksi lain yang lebih dekat akan terlihat kurang merah.”

Kisah Webb

Pendekatan ini tidak hanya membantu pemirsa melihat keragaman galaksi di kedalaman lapangan, tetapi juga menyoroti kemampuan khusus Webb.

“Ceritanya tentang Webb adalah ia dapat melihat galaksi-galaksi yang sangat jauh, sedangkan Hubble sampai pada titik di mana ia tidak dapat lagi melihatnya karena galaksi-galaksi tersebut telah berubah menjadi cahaya inframerah,” katanya.

Kemampuan untuk mencari galaksi-galaksi dengan pergeseran merah yang tinggi inilah yang memungkinkan Webb melihat beberapa galaksi paling awal yang terbentuk di alam semesta yang sangat muda. Bukan berarti Webb lebih kuat dari Hubble, namun mereka melihat bagian spektrum elektromagnetik yang berbeda.

Hal ini diperumit oleh fakta bahwa resolusi Webb berubah berdasarkan panjang gelombang yang dilihatnya. Pada panjang gelombang yang lebih panjang, gambarnya memiliki resolusi lebih rendah. Namun hubungan antara panjang gelombang dan resolusi tidak selalu berarti buruk dalam bekerja dengan gambar jarak jauh.

“Ini bekerja dengan baik untuk gambar lapangan dalam karena galaksi yang Anda deteksi memiliki panjang gelombang terpanjang benar-benar yang redup, atau yang sangat berdebu, dan mungkin strukturnya tidak banyak,” DePasquale dikatakan. “Jadi jika resolusinya sedikit kurang, sebenarnya gambar tersebut terlihat sangat alami.”

Pengetahuan ilmiah dan kebebasan berkreasi

Pekerjaan pengolah gambar seperti DePasquale sering kali menjadi cara pertama masyarakat terlibat dengan ilmu pengetahuan luar angkasa, jadi penting untuk memastikan bahwa hal tersebut akurat dan menarik. Hal ini membutuhkan tingkat kepercayaan antara ilmuwan yang melakukan penelitian dan pengolah yang menyajikan penelitian tersebut kepada publik.

Namun berdasarkan pengalamannya, katanya, sebagian besar ilmuwan senang melihat karya mereka diterjemahkan ke dalam gambar berwarna. “Pada titik ini dalam karier saya, saya telah sampai pada titik di mana saya diberi kebebasan berkreasi untuk menciptakan citra yang indah, namun orang-orang mempercayainya. bahwa saya mengetahui sains dengan cukup baik sehingga mampu menciptakan gambar berwarna yang indah yang juga menceritakan kisah ilmiah,” ujarnya DePasquale.

Reaksi terhadap gambar pertama James Webb adalah contohnya. Tidak hanya para ahli luar angkasa yang bersemangat melihat potensi teleskop baru ini; anggota masyarakat dari seluruh dunia juga takjub melihat pemandangan kosmos baru yang menakjubkan ini.

Ini hanyalah permulaan dari apa yang akan kita lihat dari Webb, dengan lebih banyak lagi gambar dari teleskop yang akan dibagikan dalam beberapa bulan mendatang.

DePasquale mengatakan reaksi publik terhadap gambar pertama adalah semua yang dia harapkan. “Sungguh menakjubkan melihatnya. Mereka benar-benar ada dimana-mana. Mereka dipajang di Times Square, di semua tempat. Sungguh luar biasa.”

Rekomendasi Editor

• James Webb menemukan debu kuno yang mungkin berasal dari supernova paling awal
• Perbesar gambar James Webb yang menakjubkan untuk melihat galaksi yang terbentuk 13,4 miliar tahun lalu
• James Webb menemukan lubang hitam supermasif aktif terjauh yang pernah ditemukan
• James Webb menemukan petunjuk tentang struktur alam semesta berskala besar
• James Webb mendeteksi molekul penting di nebula Orion yang menakjubkan