JWST가 보이지 않는 성간 물체를 보는 방법

제임스 웹 우주 망원경은 최근에 세계를 놀라게 했습니다. 우주의 첫 번째 이미지, 포함 깊은 필드 이미지 그 어느 때보다 적외선 우주를 더 깊이 보여주었습니다.

하지만 망원경으로 우주 조각을 가리키고 사진을 찍을 수는 없습니다. Webb에서 수집한 데이터는 대중과 공유되기 전에 적외선과 가시광선으로 변환되어 이미지로 처리되어야 합니다.

이 데이터를 아름다운 이미지로 처리하는 것은 우주망원경과학부의 Joe DePasquale의 일입니다. 아이코닉한 Deep을 포함하여 최초의 James Webb 이미지 중 일부를 처리한 연구소입니다. 필드. 그는 이 놀라운 데이터를 생생하게 만드는 데 무엇이 필요한지 말해주었습니다.

회전하는 필터 휠

블랙홀부터 제임스 웹이 관찰할 다양한 유형의 표적에 대한 데이터를 수집합니다. 외계 행성의 경우, 그 장비는 행성 내의 다양한 파장에서 판독값을 얻을 수 있어야 합니다. 적외선. 그러기 위해 그 장비에는 다음과 같은 장비가 장착되어 있습니다. 필터 바퀴, 이는 서로 다른 파장의 빛이 통과할 수 있도록 하는 서로 다른 재료로 만들어진 캐러셀입니다.

과학자들은 관찰에 사용할 장비와 파장을 선택하고 필터 휠이 회전하여 해당 요소를 장비 센서 앞에 배치합니다. 이렇게 복잡한 기술에 움직이는 부품을 도입하는 것은 항상 위험하지만 엔지니어는 이러한 종류의 작업에 능숙합니다. 허블 우주 망원경 및 찬드라 X-선 관측소와 같은 다른 우주 기반 망원경에 유사한 필터 휠이 사용되기 때문에 이제 하드웨어가 사용됩니다.

DePasquale은 "이 우주선에 수년 동안 계속 작동하고 비행 준비가 완료되었으며 방사선 경화 처리된 움직이는 부품이 있다는 것은 놀라운 일입니다."라고 말했습니다.

Webb이 대상을 관찰할 때 먼저 하나의 필터를 사용하여 확인한 다음 다른 필터를 사용하고 필요한 경우 더 많은 필터를 사용합니다. Webb의 첫 번째 딥 필드 이미지의 경우 각각 흑백 이미지를 생성하는 6개의 필터를 사용하여 데이터를 가져왔습니다. 각 필터는 2시간 노출에 사용되어 총 12시간의 관찰 시간이 되었습니다.

데이터가 수집되면 전처리를 위해 기기 팀으로 전송됩니다. 그런 다음 DePasquale로 전달됩니다. “6개의 개별 이미지를 얻을 수 있으며, 각 이미지는 촬영된 필터에 해당합니다.”라고 그는 말했습니다. 그의 임무는 이 여섯 개의 흑백 이미지를 우리가 좋아하는 놀라운 우주 이미지 중 하나로 바꾸는 것입니다.

검정색과 흰색을 결합하여 색상을 만듭니다.

DePasquale는 연구원이 선택한 필터 수에 따라 다양한 수의 이미지를 받은 다음 이를 단일 이미지로 결합합니다. 이러한 필터의 데이터를 색상 채널에 매핑하여 색상 이미지를 만듭니다. 이 작업을 위해 그는 Adobe Photoshop과 같은 범용 그래픽 편집 소프트웨어와 원래 아마추어 천체 사진 촬영을 위해 개발된 PixInsight와 같은 전문 천문 소프트웨어입니다.

필터는 모든 종류의 방법으로 채널에 매핑될 수 있지만 일반적으로 DePasquale은 디지털 이미지에 일반적으로 사용되는 빨간색, 녹색, 파란색 채널 또는 RGB에 매핑한다고 말합니다.

"RGB로 사물을 결합하면 일반적으로 가장 자연스럽게 보이는 이미지가 생성됩니다. 이는 우리 눈의 특성과 빛을 인식하는 방식 때문입니다."라고 그는 말했습니다. “우리 눈에는 빨간색, 녹색, 파란색 빛에 반응하는 원뿔 세포가 있습니다. 그러므로 우리의 눈은 이미 세상을 그런 식으로 해석할 준비가 되어 있습니다.”

깊은 필드 이미지에서 그는 관찰하는 파장에 따라 이름이 지정된 F090W, F150W, F200W, F277W, F356W 및 F444W의 6개 필터를 촬영했습니다. 두 개의 가장 짧은 파장 필터를 파란색으로, 두 개의 중간 파장 필터를 녹색으로, 두 개의 가장 긴 파장 필터를 녹색으로 결합했습니다. 그런 다음 Adobe Photoshop의 스크린 블렌딩 모드를 사용하여 레이어를 추가하여 컬러 이미지를 만듭니다.

Webb 이미지와 같은 다른 이미지에서는 용골 성운DePasquale의 동료 Alyssa Pagan이 처리한 6개의 필터 각각에 고유한 색상이 할당되어 성운의 다양한 특징을 모두 찾아낼 수 있습니다. 하지만 깊은 분야에서는 그렇게 잘 작동하지 않았습니다.

DePasquale은 “각 필터에 고유한 색상을 부여하려고 노력했습니다.”라고 말했습니다. “그렇게 하면 좋은 이미지를 만들 수 있지만 Deep Field의 경우 실제로는 잘 작동하지 않았습니다. 이상한 색상의 인공물이 생성되고 은하계가 제대로 나타나지 않았습니다. 그래서 이 접근 방식을 택했는데, 그게 나에게 더 자연스러운 컬러 이미지를 만들어 줬어요.”

더 좋아보이는 이미지

그렇기 때문에 영상처리 작업에는 과학적 이해뿐만 아니라 예술적 감각도 필요합니다. 프로세서의 임무는 데이터를 정확하게 표현하고 시각적으로 매력적인 이미지를 만드는 것입니다.

다양한 필터의 데이터가 결합되면 DePasquale는 이미지의 색상 수준을 조정하여 매력적인 것을 만드는 작업을 수행하지만 이는 천문학적 원리에 기초한 방식입니다. Webb 딥 필드 이미지의 경우, 그는 특정 나선 은하를 흰색 기준점으로 사용하고 하늘의 빈 부분을 회색 배경으로 사용하여 색상을 조정했습니다.

“심야 이미지나 배경에 많은 은하계가 있는 이미지가 있을 때 내 접근 방식은 일반적으로 정면을 향한 나선은하를 전체 이미지의 흰색 기준점으로 사용하는 것입니다.”라고 그는 말했습니다. 설명했다.

“정면 나선 은하에는 가장 어린 별부터 가장 오래된 별에 이르기까지 별 내에서 가능한 모든 색상을 나타내는 전체 별 인구가 표시되기 때문입니다.”라고 그는 말했습니다. “그래서 우리는 어린 별들의 밝은 파란색에서부터 오래된 노란 별들과 그 사이의 모든 것까지 이동합니다. 따라서 이를 흰색 기준점으로 사용하면 전체적으로 정말 균형 잡힌 이미지를 얻을 수 있습니다.”

깊은 들판의 모습

지금까지 심야 이미지를 생성할 수 있는 관측소는 허블과 웹, 두 곳뿐입니다. 허블은 가시광선 범위에서 작동하고 웹은 적외선에서 작동하지만 둘 다 하늘의 희미한 부분에서 먼 은하계를 관찰하고 있습니다. 각각의 깊은 필드의 모습을 비교하고 어떻게 다른지 확인하는 것은 흥미롭습니다.

Webb의 이미지는 허블과 같은 다른 망원경의 이미지와 비교할 때 고유한 모양을 갖습니다. 이것은 독특한 8개의 회절 스파이크를 가진 밝은 별이 나타나는 방식에서 가장 눈에 띕니다. 이는 다음으로 인해 발생합니다. 웹의 거울 모양 망원경으로 포착한 이미지에 내재되어 있습니다.

그러나 전반적으로 DePasquale은 Webb에서 수집한 이미지와 Hubble에서 수집한 이미지 간의 일반적인 일관성을 목표로 한다고 말합니다. 결국 데이터가 어떻게 수집되든, 이미지화되는 대상은 비슷하다.

DePasquale은 심층 이미지에 관해서 "이것이 제가 수년 동안 작업해 왔던 것"이라고 말했습니다. “그래서 저는 그것이 어떤 모습이어야 하는지 직관적으로 알고 있습니다. 그리고 나는 정면을 향한 나선 은하가 특정한 모습을 가져야 하고, 멀리 있는 얼룩도 특정한 색조를 띠고, 그 사이의 모든 것이 자연스러워야 한다는 것을 알고 있습니다.”

적외선의 철학

Webb과 허블의 가장 큰 차이점 중 하나는 Webb이 훨씬 더 먼 은하를 볼 수 있다는 것입니다. 허블보다 많은 은하가 너무 멀리 떨어져 있어서 빛이 우리에게 도달하는 데 매우 오랜 시간이 걸립니다. 이 기간 동안 우주가 팽창함에 따라 이 빛은 적색편이라는 과정을 통해 가시광선 파장에서 적외선으로 이동합니다.

이것은 수수께끼를 불러일으킵니다: 이미지 프로세서는 보이지 않는 은하계를 어떻게 표시해야 합니까? 적색편이로 인해 우리 눈에 보이지만, 그것이 바로 앞에 있다면 가시광선을 발산할 것입니다. 우리를? Webb 딥 필드는 이러한 적색편이 은하로 가득 차 있으며, 이미지에서 상대적으로 더 가까운 주 은하단도 적색편이됩니다.

“어떤 사람들은 이 이미지의 색상에 대해 철학적 논쟁을 벌일 것입니다. 은하단은 이미 45억 광년 떨어져 있기 때문입니다. 따라서 기술적으로는 적색편이가 이루어져야 합니다. 보기보다 훨씬 더 빨간색일 것입니다.”라고 DePasquale은 말했습니다.

그러나 그는 대신 적색편이를 완화하고 더 많은 정보를 제공하기 위해 더 넓은 범위의 색상을 사용하는 방식으로 데이터를 표시하기로 결정했습니다.

“이미지 전체를 붉은색으로 덮는 대신에 우리가 보는 나선은하를 만들어 보자. 이 이미지는 흰색 기준점이므로 클러스터는 이제 노란색이 아닌 흰색이 됩니다.”라고 그는 말했습니다. 말했다. “그런 다음 뒤에 있는 모든 것에서 색상 정보를 얻습니다. 그래서 정말 아주 멀리 있는 은하들은 이제 이 이미지에서 빨간색 점으로 나타나고, 더 가까운 다른 은하들은 덜 빨간색으로 나타납니다."

웹의 이야기

이러한 접근 방식은 시청자가 깊은 분야에서 은하의 다양성을 볼 수 있도록 도울 뿐만 아니라 Webb의 특별한 능력을 강조합니다.

"웹의 이야기는 먼 은하를 볼 수 있다는 것입니다. 반면 허블은 적외선으로 적색편이되었기 때문에 더 이상 볼 수 없는 지점에 이르렀습니다."라고 그는 말했습니다.

이러한 높은 적색편이 은하를 찾는 능력은 Webb이 아주 어린 우주에서 형성된 최초의 은하 중 일부를 볼 수 있게 해줄 것입니다. Webb이 단순히 허블보다 더 강력하다는 것이 아니라 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 보고 있다는 것입니다.

이는 Webb의 해상도가 보는 파장에 따라 변경된다는 사실로 인해 복잡해집니다. 더 긴 파장에서는 이미지의 해상도가 더 낮습니다. 그러나 파장과 해상도 사이의 관계가 심야 이미지 작업에 반드시 나쁜 것은 아닙니다.

“당신이 감지하는 은하가 가장 긴 파장에서 나타나기 때문에 심야 이미지에 적합합니다. 정말 희미하거나 먼지가 많은 것인데, 처음부터 구조가 많지 않을 수도 있습니다.” DePasquale 말했다. "따라서 해상도가 조금 떨어지더라도 이미지에서는 실제로 매우 자연스러워 보입니다."

과학적 지식과 창의적 자유

DePasquale와 같은 이미지 프로세서의 작업은 대중이 우주 과학에 참여할 수 있는 첫 번째 방법인 경우가 많으므로 정확하고 매력적이어야 합니다. 이를 위해서는 연구를 수행하는 과학자와 해당 연구를 대중에게 발표하는 처리자 사이에 어느 정도의 신뢰가 필요합니다.

그러나 그의 경험에 따르면 대부분의 과학자들은 자신의 연구가 컬러 이미지로 변환되는 것을 보고 기뻐한다고 그는 말합니다. “내 경력의 이 시점에서 나는 아름다운 이미지를 창조할 수 있는 창의적인 자유를 얻었지만 사람들은 이를 신뢰합니다. 나는 과학적인 이야기를 전달하는 아름다운 컬러 이미지를 만들 수 있을 만큼 과학을 잘 알고 있습니다.”라고 말했습니다. 드파스콸레.

첫 번째 James Webb 이미지에 대한 반응이 적절한 사례였습니다. 우주 전문가들만이 이 새로운 망원경의 잠재력을 보고 흥분한 것이 아닙니다. 전 세계의 대중 역시 우주에 대한 이러한 매혹적인 새로운 견해를 보고 놀랐습니다.

이것은 Webb에서 볼 수 있는 것의 시작일 뿐이며, 앞으로 몇 달 동안 망원경에서 더 많은 이미지를 공유할 것입니다.

DePasquale은 첫 번째 이미지에 대한 대중의 반응이 그가 바라던 모든 것이라고 말합니다. “정말 놀라웠어요. 그들은 말 그대로 어디에나 있습니다. 타임스퀘어 곳곳에 전시되어 있었어요. 정말 대단했어요.”

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