Kā JWST redz neredzamus starpzvaigžņu objektus

Džeimsa Veba kosmiskais teleskops nesen pārsteidza pasauli ar savu pirmie kosmosa attēli, ieskaitot a dziļa lauka attēls kas parādīja infrasarkano staru Visumu dziļāk nekā jebkad agrāk.

Bet jūs nevarat vienkārši pavērst teleskopu uz vietas un uzņemt fotoattēlu. Webb savāktie dati ir jātulko no infrasarkanā starojuma redzamajā gaismā un jāapstrādā attēlā, pirms tos var kopīgot ar sabiedrību.

Šo datu apstrāde skaistos attēlos ir Joe DePasquale no Kosmiskā teleskopa zinātnes darbinieka. Institūts, kurš bija atbildīgs par dažu pirmo Džeimsa Veba attēlu apstrādi, tostarp ikonisko dziļumu lauks. Viņš mums pastāstīja, kas nepieciešams, lai šie neticamie dati atdzīvotos.

Rotējošais filtru ritenis

Lai apkopotu datus par daudziem dažādiem mērķu veidiem, kurus novēros Džeimss Vebs, no melnajiem caurumiem līdz eksoplanētām, tās instrumentiem ir jāspēj veikt rādījumus dažādos viļņu garumos infrasarkanais. Lai to izdarītu, tā instrumenti ir bruņoti ar filtru riteņi, kas ir dažādu materiālu karuseļi, kas katrs ļauj iziet cauri dažādiem gaismas viļņu garumiem.

Zinātnieki izvēlas, kādus instrumentus un kādus viļņu garumus viņi vēlas izmantot saviem novērojumiem, un filtra riteņi griežas, lai atbilstošo elementu novietotu instrumenta sensoru priekšā. Lai gan kustīgo daļu ieviešana tik sarežģītā tehnoloģijā vienmēr ir risks, inženieri ir labi praktizējuši strādāt ar šāda veida aparatūra līdz šim, jo ​​līdzīgus filtru riteņus izmanto citos kosmosa teleskopos, piemēram, Habla kosmosa teleskopā un Čandras rentgenstaru observatorijā.

"Tas ir neticami, ka šajos kosmosa kuģos ir šīs kustīgās daļas, kas turpina darboties gadiem ilgi un ir gatavas lidojumam un ir izturīgas pret radiāciju," sacīja DePaskvals.

Kad Vēbs novēro mērķi, tas vispirms izskatīsies, izmantojot vienu filtru, pēc tam citu un pēc tam vairāk, ja nepieciešams. Veba pirmajam dziļā lauka attēlam tika izmantoti seši filtri, no kuriem katrs rada melnbaltu attēlu. Katrs filtrs tika izmantots divu stundu ekspozīcijai, kopā pievienojot līdz 12 stundām novērošanas laika.

Kad dati ir savākti, tie tiek nosūtīti instrumentu grupām pirmapstrādei; pēc tam tas tiek piegādāts DePasquale. "Jūs saņemat sešus atsevišķus attēlus, katrs atbilst filtram, ar kuru tas tika uzņemts," viņš teica. Viņa uzdevums ir pārvērst šos sešus melnbaltos attēlus par vienu no satriecošajiem kosmosa attēliem, ko mēs mīlam apbrīnot.

Apvienojot melno un balto, lai iegūtu krāsu

DePasquale saņems dažādu attēlu skaitu atkarībā no tā, cik filtrus pētnieki ir izvēlējušies, pēc tam viņš tos apvienos vienā attēlā. Kartējot datus no šiem filtriem uz krāsu kanāliem, viņš izveido krāsainu attēlu. Šim darbam viņš izmantos vispārējas nozīmes grafikas rediģēšanas programmatūras, piemēram, Adobe Photoshop un speciāla astronomiskā programmatūra, piemēram, PixInsight, kas sākotnēji tika izstrādāta amatieru astrofotografēšanai.

Filtri var tikt kartēti uz kanāliem dažādos veidos, taču parasti DePasquale saka, ka viņš kartēs sarkanos, zaļos un zilos kanālus vai RGB, ko parasti izmanto digitālajiem attēliem.

"Lietu apvienošana RGB formātā parasti rada visdabiskāko attēlu, jo tas ir saistīts ar mūsu acu īpašībām un to, kā tās uztver gaismu," viņš teica. "Mūsu acīs ir konusa šūnas, kas reaģē uz sarkano, zaļo un zilo gaismu. Tātad mūsu acis jau ir sagatavotas, lai tā interpretētu pasauli.

Dziļā lauka attēlā viņš paņēma sešus filtrus — F090W, F150W, F200W, F277W, F356W un F444W, kas nosaukti pēc viļņa garuma, pie kura tie novēro. un apvienoja divus īsākā viļņa garuma filtrus zilā krāsā, divus vidēja viļņa garuma filtrus zaļā krāsā un divus garākā viļņa garuma filtrus zaļā krāsā. Pēc tam tie tiek apvienoti, izmantojot Adobe Photoshop ekrāna sajaukšanas režīmu, kas apvieno slāņus, lai izveidotu krāsainu attēlu.

Citos attēlos, piemēram, Webb attēlā Karīnas miglājs, kuru apstrādāja DePasquale kolēģe Alyssa Pagan, katram no sešiem dažādajiem filtriem tika piešķirta sava krāsa, lai izvēlētos visas dažādās miglāja pazīmes. Bet tas nedarbojās tik labi dziļajam laukam.

"Es mēģināju katram filtram piešķirt savu unikālo krāsu, " sacīja DePasquale. “Tas var radīt jauku tēlu, bet dziļā lauka gadījumā tas tiešām nedarbojās labi. Tas radīja dīvainus krāsu artefaktus, un galaktikas neparādījās tā, kā vajadzētu. Tāpēc es izvēlējos šo pieeju, un tā man radīja dabiskāku krāsu attēlu.

Labāk izskatīgs attēls

Tāpēc attēlu apstrādes darbam ir nepieciešams māksliniecisks pieskāriens, kā arī zinātniska izpratne. Procesora uzdevums ir izveidot attēlu, kas gan precīzi attēlo datus, gan ir vizuāli pievilcīgs.

Kad dati no dažādiem filtriem ir apvienoti, DePasquale strādā pie attēla krāsu līmeņu pielāgošanas, lai padarītu kaut ko pievilcīgu, taču tādā veidā, kas ir balstīts uz astronomiskiem principiem. Kad runa bija par Webb dziļa lauka attēlu, viņš pielāgoja krāsas, pamatojoties uz konkrētu spirālveida galaktiku kā balto atskaites punktu un tukšu debesu plankumu kā pelēko fonu.

“Kad mums ir dziļa lauka attēls vai attēls ar daudzām galaktikām fonā, mana pieeja parasti ir izmantot spirālveida galaktikas kā balto atskaites punktu visam attēlam," viņš paskaidroja.

"Tas ir tāpēc, ka spirālveida galaktikās būs redzama visa zvaigžņu populācija, sākot no jaunākajām zvaigznēm līdz vecākajām zvaigznēm, kas pārstāv visas zvaigznēs iespējamās krāsas," viņš teica. “Tāpēc mēs pārejam no jauno zvaigžņu spilgtās zilās krāsas uz veci dzeltenīgām zvaigznēm un visu, kas pa vidu. Tātad, ja jūs to izmantojat kā savu balto atskaites punktu, jūs kopumā iegūstat patiešām labi līdzsvarotu attēlu.

Dziļa lauka izskats

Pagaidām mums ir tikai divas observatorijas, kas spēj izveidot dziļa lauka attēlus: Habla un Webb. Habls darbojas redzamās gaismas diapazonā, savukārt Vebs darbojas infrasarkanajā starā, bet abi skatās uz attālām galaktikām blāvās debess daļās. Ir interesanti salīdzināt dziļo lauku izskatu no katra un redzēt, kā tie atšķiras.

Attēliem no Webb būs savs unikāls izskats salīdzinājumā ar attēliem no citiem teleskopiem, piemēram, Habla. Tas ir visvairāk pamanāms veidā, kā parādās spilgtas zvaigznes ar to raksturīgajiem astoņu asu difrakcijas tapas. Tas ir saistīts ar Veba spoguļa forma un tas ir raksturīgs attēliem, kas uzņemti ar teleskopu.

Bet kopumā DePasquale saka, ka viņš cenšas panākt vispārēju konsekvenci starp Webb savāktajiem attēliem un Habla savāktajiem attēliem. Galu galā, neatkarīgi no datu vākšanas veida, attēlotie objekti ir līdzīgi.

Runājot par dziļa lauka attēliem, "ar to esmu strādājis daudzus gadus," sacīja DePaskvals. "Tāpēc man ir intuitīva sajūta, kā tam vajadzētu izskatīties. Un es zinu, ka spirālveida galaktikai ar seju ir jābūt noteiktam izskatam, attāliem plankumiem vajadzētu būt ar noteiktu nokrāsu, un visam pa vidu vajadzētu izskatīties dabiski.

Infrasarkanā starojuma filozofija

Viena liela atšķirība starp Vebu un Habla ir tā, ka Vēbs spēj aplūkot vēl tālākas galaktikas nekā Habla, un daudzas no šīm galaktikām atrodas tik tālu, ka to gaismai ir nepieciešams ļoti ilgs laiks, lai mūs sasniegtu. Tā kā Visums šajā laikā paplašinās, šī gaisma tiek novirzīta no redzamās gaismas viļņu garumiem infrasarkanajā virzienā procesā, ko sauc par sarkano nobīdi.

Tas rada neskaidrību: kā attēlu procesoriem vajadzētu parādīt galaktiku, kas būtu neredzama mūsu acīm sarkanās nobīdes dēļ, bet kas izdalītu redzamu gaismu, ja tā būtu priekšā mums? Webb dziļais lauks ir pilns ar šādām sarkanās nobīdes galaktikām, un pat relatīvi tuvākā galvenā galaktiku kopa attēlā ir sarkanā nobīde.

"Dažiem cilvēkiem būs filozofisks arguments par krāsām šajā attēlā, jo galaktiku kopa jau atrodas četrarpus miljardu gaismas gadu attālumā. Tātad tehniski tai vajadzētu būt sarkanai nobīdei. Tam vajadzētu būt daudz sarkanākam, nekā izskatās," sacīja DePaskvals.

Bet tā vietā viņš izvēlas sniegt datus tādā veidā, kas mazina sarkano nobīdi, un izmanto plašāku krāsu diapazonu, lai sniegtu vairāk informācijas.

"Tā vietā, lai viss attēls būtu sarkanā krāsā, izveidosim spirālveida galaktiku, kurā mēs redzam šis attēls ir balts atskaites punkts, lai klasteris tagad kļūtu balts, nevis dzeltens," viņš teica. "Un tad jūs saņemat informāciju par krāsām no visa pārējā, kas atrodas aiz tā. Tātad patiešām, ļoti attālās galaktikas tagad šajā attēlā parādās kā sarkani punkti, un citas lietas, kas atrodas tuvāk, ir mazāk sarkanas.

Stāsts par Vebu

Šī pieeja ne tikai palīdz skatītājiem redzēt galaktiku daudzveidību dziļā laukā, bet arī izceļ Webb īpašās spējas.

"Stāsts ar Vebu ir tāds, ka tas var redzēt tālas, tālas galaktikas, turpretim Habls sasniedz punktu, ka tās vairs nevar redzēt, jo tās ir sarkanā nobīde infrasarkanajā gaismā," viņš teica.

Šī spēja meklēt šīs lielās sarkanās nobīdes galaktikas ir tas, kas ļaus Vebam redzēt dažas no senākajām galaktikām, kas izveidojušās ļoti jaunā Visumā. Nav tā, ka Vebs ir vienkārši jaudīgāks par Habla, bet gan tas, ka viņi skatās uz dažādām elektromagnētiskā spektra daļām.

To sarežģī fakts, ka Veba izšķirtspēja mainās atkarībā no viļņa garuma, uz kuru tas skatās. Garākos viļņu garumos tā attēliem ir zemāka izšķirtspēja. Taču šī attiecība starp viļņa garumu un izšķirtspēju ne vienmēr ir slikta lieta darbam ar dziļa lauka attēliem.

"Tas labi darbojas dziļa lauka attēlam, jo ​​garākajos viļņu garumos galaktikas, kuras jūs nosakāt, ir tiešām vāji vai ļoti putekļaini, un tiem, iespējams, nav pārāk daudz struktūras, ar ko sākt, "DePasquale teica. "Tātad, ja tie ir nedaudz mazāk atrisināti, patiesībā tas attēlā izskatās ļoti dabiski."

Zinātniskās zināšanas un radošā brīvība

Attēlu procesoru, piemēram, DePasquale, darbs bieži vien ir pirmais veids, kā sabiedrība iesaistās kosmosa zinātnē, tāpēc ir svarīgi, lai tas būtu gan precīzs, gan pievilcīgs. Tam nepieciešama zināma uzticēšanās starp zinātniekiem, kas veic pētījumu, un pārstrādātājiem, kuri šo darbu iepazīstina ar sabiedrību.

Bet pēc viņa pieredzes viņš saka, ka lielākā daļa zinātnieku ir priecīgi redzēt, ka viņu darbs tiek pārvērsts krāsainos attēlos. "Šajā savas karjeras posmā esmu nonācis līdz punktam, kad man ir dota radoša brīvība radīt skaistu tēlu, bet cilvēki uzticas ka zinātni pārzinu pietiekami labi, lai varētu izveidot skaistu krāsainu tēlu, kas vēsta arī zinātnisku stāstu,” sacīja DePasquale.

Reakcija uz pirmajiem Džeimsa Veba attēliem bija piemērs. Ne tikai kosmosa eksperti ir satraukti, redzot šī jaunā teleskopa potenciālu; arī sabiedrības locekļi no visas pasaules ir pārsteigti, redzot šos aizraujošos jaunos kosmosa skatus.

Tas ir tikai sākums tam, ko mēs redzēsim no Webb, un turpmākajos mēnešos tiks kopīgots daudz vairāk attēlu no teleskopa.

DePasquale saka, ka sabiedrības reakcija uz pirmajiem attēliem ir viss, uz ko viņš cerēja. "Tas bija pārsteidzoši redzēt. Tie ir burtiski visur. Tie tika izstādīti Taimskvērā visās vietās. Tas ir bijis neticami. ”

Redaktoru ieteikumi

• Džeimss Vebs pamana senos putekļus, kas varētu būt no senākajām supernovām
• Tuviniet satriecošo Džeimsa Veba attēlu, lai redzētu galaktiku, kas izveidojusies pirms 13,4 miljardiem gadu
• Džeimss Vebs atklāj visattālāko aktīvo supermasīvo melno caurumu, kas jebkad atklāts
• Džeimss Vebs atklāj norādes uz Visuma liela mēroga struktūru
• Džeimss Vebs atklāj svarīgu molekulu satriecošajā Oriona miglājā