Come JWST vede gli oggetti interstellari invisibili

Il telescopio spaziale James Webb ha recentemente sbalordito il mondo con il suo prime immagini dello spazio, compreso a immagine in campo profondo che mostrava l'universo infrarosso in modo più approfondito che mai.

Ma non puoi semplicemente puntare un telescopio verso un pezzo di spazio e scattare una foto. I dati raccolti da Webb devono essere tradotti dall'infrarosso e nella luce visibile ed elaborati in un'immagine prima di poter essere condivisi con il pubblico.

Elaborare questi dati in bellissime immagini è il lavoro di Joe DePasquale dello Space Telescope Science Institute, responsabile dell'elaborazione di alcune delle prime immagini di James Webb, inclusa l'iconica deep campo. Ci ha spiegato cosa serve per dare vita a questi incredibili dati.

Una ruota rotante di filtri

Raccogliere dati sui diversi tipi di obiettivi che James Webb osserverà, dai buchi neri ai esopianeti, i suoi strumenti devono essere in grado di effettuare letture a diverse lunghezze d'onda all'interno infrarossi. Per fare ciò, i suoi strumenti sono armati ruote portafiltri, che sono caroselli di materiali diversi che consentono il passaggio di diverse lunghezze d'onda della luce.

Gli scienziati selezionano quali strumenti e quali lunghezze d’onda vogliono utilizzare per le loro osservazioni e le ruote portafiltri ruotano per posizionare l’elemento corrispondente davanti ai sensori dello strumento. Sebbene l'introduzione di parti mobili in una tecnologia così complessa sia sempre un rischio, gli ingegneri sono ben esperti nel lavorare con questo tipo di hardware ormai, poiché ruote portafiltri simili vengono utilizzate in altri telescopi spaziali come il telescopio spaziale Hubble e l'Osservatorio a raggi X Chandra.

"È incredibile che questi veicoli spaziali abbiano al loro interno queste parti mobili che continuano a funzionare per anni e sono pronte per il volo e resistenti alle radiazioni", ha detto DePasquale.

Quando Webb osserva un bersaglio, lo guarderà prima utilizzando un filtro, poi un altro e poi altri ancora se necessario. Per la prima immagine in campo profondo di Webb, sono stati raccolti i dati utilizzando sei filtri, ciascuno dei quali produce un’immagine in bianco e nero. Ciascun filtro è stato utilizzato per un'esposizione di due ore, per un totale di 12 ore di osservazione.

Una volta raccolti, i dati vengono inviati ai team degli strumenti per la preelaborazione; poi viene consegnato a DePasquale. "Si ottengono sei immagini singole, ciascuna corrispondente al filtro con cui è stata scattata", ha detto. Il suo compito è trasformare quelle sei immagini in bianco e nero in una delle straordinarie immagini dello spazio che amiamo ammirare.

Combinare il bianco e il nero per creare il colore

DePasquale riceverà un numero variabile di immagini a seconda di quanti filtri avranno scelto i ricercatori, poi le unirà in un'unica immagine. Mappando i dati di questi filtri sui canali di colore, crea un'immagine a colori. Per questo lavoro, utilizzerà una combinazione di software di editing grafico generico come Adobe Photoshop e software astronomico specializzato come PixInsight, originariamente sviluppato per l'astrofotografia amatoriale.

I filtri possono essere mappati sui canali in tutti i modi, ma in genere DePasquale afferma che li mapperà sui canali rosso, verde e blu, o RGB, che sono comunemente usati per le immagini digitali.

"La combinazione di elementi in RGB di solito crea un'immagine dall'aspetto più naturale, poiché ciò è dovuto alla natura dei nostri occhi e al modo in cui percepiscono la luce", ha affermato. “Abbiamo i coni nei nostri occhi che rispondono alla luce rossa, verde e blu. Quindi i nostri occhi sono già pronti per interpretare il mondo in questo modo”.

Nell'immagine in campo profondo, ha utilizzato i sei filtri: F090W, F150W, F200W, F277W, F356W e F444W, che prendono il nome dalla lunghezza d'onda alla quale osservano. e ho combinato i due filtri di lunghezza d'onda più corta in blu, i due filtri di lunghezza d'onda media in verde e i due filtri di lunghezza d'onda più lunga in verde. Questi vengono poi combinati utilizzando la modalità di fusione dello schermo in Adobe Photoshop, che aggiunge insieme i livelli per creare un'immagine a colori.

In altre immagini, come l'immagine Webb del Nebulosa della Carena, che è stato elaborato dalla collega di DePasquale, Alyssa Pagan, a ciascuno dei sei diversi filtri è stato assegnato il proprio colore per individuare tutte le diverse caratteristiche della nebulosa. Ma questo non ha funzionato così bene per il campo profondo.

"Ho provato a dare a ciascun filtro il suo colore unico", ha detto DePasquale. “Questo può creare una bella immagine, ma nel caso del campo profondo non funzionava davvero bene. Stava creando degli strani artefatti cromatici e le galassie non apparivano come avrebbero dovuto. Quindi ho seguito questo approccio e mi ha dato un’immagine a colori dall’aspetto più naturale”.

Un'immagine più bella

Questo è il motivo per cui il lavoro di elaborazione delle immagini richiede un tocco artistico oltre alla comprensione scientifica. Il compito di un elaboratore è creare un'immagine che rappresenti accuratamente i dati e sia visivamente accattivante.

Una volta combinati i dati provenienti da diversi filtri, DePasquale lavora sulla regolazione dei livelli di colore dell'immagine per creare qualcosa di attraente, ma in un modo basato su principi astronomici. Quando si è trattato dell'immagine del campo profondo di Webb, ha regolato i colori utilizzando una particolare galassia a spirale come punto di riferimento bianco e una zona vuota di cielo come sfondo grigio.

“Quando abbiamo un’immagine in campo profondo o un’immagine con molte galassie sullo sfondo, il mio approccio generalmente consiste nell’utilizzare le galassie a spirale frontali come punto di riferimento bianco per l’intera immagine”, ha spiegato spiegato.

"Questo perché le galassie a spirale frontali mostreranno un'intera popolazione di stelle, dalle stelle più giovani a quelle più vecchie, che rappresentano tutti i colori possibili all'interno delle stelle", ha detto. “Quindi passiamo dal blu brillante delle giovani stelle alle vecchie stelle giallastre e tutto il resto. Quindi, se lo usi come punto di riferimento del bianco, otterrai un'immagine davvero ben bilanciata nel complesso."

L'aspetto di un campo profondo

Finora abbiamo solo due osservatori in grado di creare immagini di campo profondo: Hubble e Webb. Hubble opera nella gamma della luce visibile, mentre Webb opera nell'infrarosso, ma entrambi stanno osservando galassie lontane in parti buie del cielo. È interessante confrontare l’aspetto dei campi profondi di ciascuno e vedere come differiscono.

Le immagini di Webb avranno un aspetto unico rispetto alle immagini di altri telescopi come Hubble. Ciò è particolarmente evidente nel modo in cui appaiono le stelle luminose, con i loro caratteristici picchi di diffrazione a otto punte. Ciò è dovuto a forma dello specchio di Webb ed è inerente alle immagini catturate con il telescopio.

Ma nel complesso, DePasquale afferma di puntare a una coerenza generale tra le immagini raccolte da Webb e quelle raccolte da Hubble. Dopotutto, indipendentemente da come vengono raccolti i dati, gli oggetti fotografati sono simili.

Quando si tratta di immagini in campo profondo, “è qualcosa con cui lavoro da molti anni”, ha detto DePasquale. “Quindi ho un’idea intuitiva di come dovrebbe essere. E so che una galassia a spirale frontale dovrebbe avere un certo aspetto, le macchie distanti dovrebbero avere una certa tonalità e tutto ciò che sta nel mezzo dovrebbe apparire naturale.

Una filosofia dell'infrarosso

Una grande differenza tra Webb e Hubble è che Webb è in grado di osservare galassie ancora più distanti di Hubble, e molte di queste galassie sono così lontane che la loro luce impiega molto tempo per raggiungerci. Mentre l'universo si espande durante questo periodo, questa luce viene spostata dalle lunghezze d'onda della luce visibile a quella dell'infrarosso in un processo chiamato spostamento verso il rosso.

Ciò solleva un enigma: come dovrebbero i processori di immagini visualizzare una galassia che sarebbe invisibile ai nostri occhi a causa del redshift, ma che se si trovasse di fronte emetterebbe luce visibile noi? Il campo profondo di Webb è pieno di tali galassie spostate verso il rosso, e anche l’ammasso di galassie principale relativamente più vicino nell’immagine è spostato verso il rosso.

“Alcuni avranno una discussione filosofica sui colori in questa immagine, perché l’ammasso di galassie è già a quattro miliardi e mezzo di anni luce di distanza. Quindi tecnicamente dovrebbe essere spostato verso il rosso. Dovrebbe essere molto più rosso di quanto sembri", ha detto DePasquale.

Ma sceglie invece di presentare i dati in un modo che mitiga lo spostamento verso il rosso e utilizza una gamma più ampia di colori per fornire maggiori informazioni.

“Invece di dare all’intera immagine una sfumatura rossa, creiamo la galassia a spirale in cui vediamo questa immagine è il punto di riferimento bianco, così che il grappolo ora diventa bianco invece che giallo”, ha disse. “E poi ottieni informazioni sul colore da tutto il resto. Quindi le galassie molto, molto distanti ora appaiono come punti rossi in questa immagine, e altre cose più vicine sono meno rosse”.

La storia di Webb

Questo approccio non solo aiuta gli spettatori a vedere la diversità delle galassie nel campo profondo, ma evidenzia anche le particolari capacità di Webb.

"La storia di Webb è che può vedere le galassie distanti, molto lontane, mentre Hubble arriva al punto in cui non riesce più a vederle perché si sono spostate verso il rosso nella luce infrarossa", ha detto.

Questa capacità di cercare queste galassie ad alto spostamento verso il rosso è ciò che consentirà a Webb di vedere alcune delle prime galassie che si formarono nell'universo molto giovane. Non è che Webb sia semplicemente più potente di Hubble, ma piuttosto che stanno osservando diverse parti dello spettro elettromagnetico.

Ciò è complicato dal fatto che la risoluzione di Webb cambia in base alla lunghezza d’onda osservata. A lunghezze d'onda maggiori, le sue immagini hanno una risoluzione inferiore. Ma questa relazione tra lunghezza d’onda e risoluzione non è necessariamente una cosa negativa quando si lavora con immagini a campo profondo.

"Funziona bene per l'immagine in campo profondo perché alle lunghezze d'onda più lunghe le galassie che stai rilevando sono davvero quelli deboli, o quelli davvero polverosi, e potrebbero non avere molta struttura con cui cominciare", DePasquale disse. "Quindi, se sono un po' meno risolti, in realtà appaiono molto naturali nell'immagine."

Conoscenza scientifica e libertà creativa

Il lavoro degli elaboratori di immagini come DePasquale è spesso il primo modo in cui il pubblico si avvicina alla scienza spaziale, quindi è importante che sia accurato e accattivante. Ciò richiede un certo grado di fiducia tra gli scienziati che svolgono la ricerca e gli elaboratori che presentano il lavoro al pubblico.

Ma secondo la sua esperienza, dice, la maggior parte degli scienziati è felice di vedere il proprio lavoro tradotto in immagini a colori. "A questo punto della mia carriera, sono arrivato al punto in cui mi viene data la libertà creativa di creare una bella immagine, ma le persone si fidano che conosco la scienza abbastanza bene da essere in grado di creare una bellissima immagine a colori che racconta anche una storia scientifica", ha detto De Pasquale.

La reazione alle prime immagini di James Webb è stata un esempio emblematico. Non solo gli esperti spaziali sono stati entusiasti di vedere il potenziale di questo nuovo telescopio; anche il pubblico di tutto il mondo è rimasto stupito nel vedere queste nuove e affascinanti visioni del cosmo.

Questo è solo l'inizio di ciò che vedremo da Webb, con molte altre immagini dal telescopio che saranno condivise nei prossimi mesi.

DePasquale afferma che la reazione del pubblico alle prime immagini è stata tutto ciò che sperava. “È stato fantastico vederlo. Sono letteralmente ovunque. Sono stati esposti a Times Square, tra tutti i posti possibili. È stato incredibile”.

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