De James Webb-ruimtetelescoop verbaasde onlangs de wereld ermee eerste beelden van de ruimte, waaronder een diepveld beeld die het infrarode universum dieper liet zien dan ooit tevoren.
Inhoud
- Een roterend filterwiel
- Zwart en wit combineren om kleur te maken
- Een beter uitziend beeld
- Het uiterlijk van een diep veld
- Een filosofie van het infrarood
- Het verhaal van Webb
- Wetenschappelijke kennis en creatieve vrijheid
Maar je kunt niet zomaar een telescoop op een stukje ruimte richten en een foto maken. De door Webb verzamelde gegevens moeten vanuit het infrarood naar het zichtbare licht worden vertaald en tot een beeld worden verwerkt voordat het met het publiek kan worden gedeeld.
Aanbevolen video's
Het verwerken van deze gegevens tot prachtige beelden is de taak van Joe DePasquale van de Space Telescope Science Institute, die verantwoordelijk was voor de verwerking van enkele van de eerste James Webb-beelden, waaronder de iconische diepte veld. Hij vertelde ons wat er nodig is om deze ongelooflijke gegevens tot leven te brengen.
Verwant
- Bekijk de verbluffende foto die James Webb maakte om zijn eerste verjaardag te vieren
- Eén sterrenstelsel, twee weergaven: zie een vergelijking van afbeeldingen van Hubble en Webb
- Saturnus zoals je hem nog nooit eerder hebt gezien, vastgelegd door de Webb-telescoop
Een roterend filterwiel
Om gegevens te verzamelen over de vele verschillende soorten doelen die James Webb zal observeren, van zwarte gaten tot exoplaneten moeten hun instrumenten metingen kunnen doen op verschillende golflengten binnen de planeet infrarood. Om dat te doen zijn haar instrumenten bewapend met filterwielen, dit zijn carrousels van verschillende materialen die elk verschillende golflengten van licht doorlaten.
Wetenschappers selecteren welke instrumenten en welke golflengten ze willen gebruiken voor hun waarnemingen, en de filterwielen draaien om het overeenkomstige element voor de sensoren van het instrument te plaatsen. Hoewel het introduceren van bewegende delen in zo'n complex stukje technologie altijd een risico met zich meebrengt, zijn ingenieurs goed geoefend in het werken met dit soort technieken. hardware inmiddels, aangezien soortgelijke filterwielen worden gebruikt in andere ruimtetelescopen zoals de Hubble-ruimtetelescoop en het Chandra X-ray Observatory.
MIRI-filterwiel (kwalificatiemodel) voor de James Webb-ruimtetelescoop
“Het is ongelooflijk dat deze ruimtevaartuigen deze bewegende delen in zich hebben die jarenlang blijven functioneren, vliegklaar zijn en door straling gehard zijn,” zei DePasquale.
Wanneer Webb een doelwit observeert, zal het eerst kijken met behulp van het ene filter, dan het andere, en indien nodig nog meer. Voor Webbs eerste deep field-opname waren gegevens nodig met behulp van zes filters, die elk een zwart-witbeeld opleveren. Elk filter werd gebruikt voor een blootstelling van twee uur, wat neerkomt op een totaal van twaalf uur observatietijd.
Zodra de gegevens zijn verzameld, worden deze ter voorbewerking naar de instrumentteams gestuurd; vervolgens wordt het afgeleverd bij DePasquale. “Je krijgt zes afzonderlijke afbeeldingen, die allemaal overeenkomen met het filter waarmee ze zijn gemaakt”, zei hij. Het is zijn taak om van die zes zwart-witbeelden een van de verbluffende beelden van de ruimte te maken die we graag bewonderen.
Zwart en wit combineren om kleur te maken
DePasquale ontvangt een wisselend aantal afbeeldingen, afhankelijk van het aantal filters dat de onderzoekers hebben gekozen, en combineert ze vervolgens tot één afbeelding. Door gegevens uit deze filters in kaart te brengen op kleurkanalen, creëert hij een kleurenbeeld. Voor dit werk zal hij een combinatie van algemene grafische bewerkingssoftware gebruiken, zoals Adobe Photoshop en gespecialiseerde astronomische software zoals PixInsight, oorspronkelijk ontwikkeld voor amateurastrofotografie.
De filters kunnen op allerlei manieren aan kanalen worden toegewezen, maar doorgaans zal DePasquale naar eigen zeggen de rode, groene en blauwe kanalen (RGB) toewijzen, die vaak worden gebruikt voor digitale afbeeldingen.
“Het combineren van dingen in RGB zorgt meestal voor het meest natuurlijk ogende beeld, omdat dat te danken is aan de aard van onze ogen en de manier waarop ze licht waarnemen”, zei hij. “We hebben kegelcellen in onze ogen die reageren op rood, groen en blauw licht. Onze ogen zijn dus al klaar om de wereld op die manier te interpreteren.”
In het diepe veldbeeld nam hij de zes filters – F090W, F150W, F200W, F277W, F356W en F444W, die genoemd zijn naar de golflengte waarop ze waarnemen – en combineerde de twee filters met de kortste golflengte in blauw, de twee filters met gemiddelde golflengte in groen en de twee filters met de langste golflengte in groen. Deze worden vervolgens gecombineerd met behulp van de schermovervloeimodus in Adobe Photoshop, die de lagen samenvoegt om een kleurenafbeelding te maken.
In andere afbeeldingen, zoals de Webb-afbeelding van de Carina-nevel, die werd verwerkt door DePasquale's collega Alyssa Pagan, kreeg elk van de zes verschillende filters een eigen kleur toegewezen om alle verschillende kenmerken van de nevel te onderscheiden. Maar dat werkte niet zo goed voor het diepe veld.
"Ik heb geprobeerd elk filter zijn eigen unieke kleur te geven", zei DePasquale. “Dat kan een mooi beeld opleveren, maar in het geval van het diepe veld werkte het echt niet goed. Het veroorzaakte een aantal vreemde kleurartefacten en sterrenstelsels verschenen niet zoals ze zouden moeten. Dus ik koos voor deze aanpak, en het leverde voor mij een natuurlijker kleurenbeeld op.”
Een beter uitziend beeld
Daarom vereist beeldverwerking zowel een artistiek tintje als wetenschappelijk inzicht. De taak van een processor is om een afbeelding te creëren die zowel de gegevens nauwkeurig weergeeft als visueel aantrekkelijk is.
Zodra gegevens uit verschillende filters zijn gecombineerd, werkt DePasquale aan het aanpassen van de kleurniveaus van de afbeelding om iets aantrekkelijks te maken, maar op een manier die gebaseerd is op astronomische principes. Als het om de Webb-diepveldopname ging, paste hij de kleuren aan op basis van het gebruik van een bepaald spiraalstelsel als wit referentiepunt en een leeg stukje lucht als grijze achtergrond.
“Als we een diepveldbeeld hebben of een beeld met veel sterrenstelsels op de achtergrond, is mijn aanpak Over het algemeen is het de bedoeling om tegenover elkaar liggende spiraalstelsels te gebruiken als het witte referentiepunt voor de hele afbeelding”, zegt hij uitgelegd.
“Dat komt omdat tegenover elkaar liggende spiraalstelsels een hele populatie sterren zullen vertonen, van de jongste sterren tot de oudste sterren, die alle kleuren vertegenwoordigen die mogelijk zijn binnen sterren,” zei hij. “Dus gaan we van het heldere blauw van jonge sterren naar de oud-gele sterren en alles daartussenin. Dus als je dat als je witte referentiepunt gebruikt, krijg je over het algemeen een heel mooi uitgebalanceerd beeld.”
Het uiterlijk van een diep veld
Tot nu toe hebben we slechts twee observatoria die deep field-beelden kunnen maken: Hubble en Webb. Hubble opereert in het zichtbare lichtbereik, terwijl Webb in het infrarood opereert, maar beide maken beelden van verre sterrenstelsels in donkere delen van de hemel. Het is interessant om het uiterlijk van diepe velden van elk te vergelijken en te zien hoe ze verschillen.
Beelden van Webb zullen hun eigen unieke uitstraling hebben vergeleken met beelden van andere telescopen zoals Hubble. Dit is het meest opvallend in de manier waarop heldere sterren verschijnen, met hun kenmerkende achtpuntige diffractiepieken. Dit komt door de vorm van Webbs spiegel en is inherent aan beelden gemaakt met de telescoop.
Maar over het algemeen zegt DePasquale dat hij streeft naar een algemene consistentie tussen de beelden verzameld door Webb en de beelden verzameld door Hubble. Ongeacht hoe de gegevens worden verzameld, zijn de objecten die worden afgebeeld immers vergelijkbaar.
Als het gaat om deep field-beelden, “is dat iets waar ik al vele jaren mee werk”, zei DePasquale. “Dus ik heb een soort van intuïtief gevoel van hoe het eruit zou moeten zien. En ik weet dat een spiraalvormig sterrenstelsel er op een bepaalde manier uit moet zien, dat de verre vlekken een bepaalde tint moeten hebben, en dat alles daartussen er natuurlijk uit moet zien.”
Een filosofie van het infrarood
Een groot verschil tussen Webb en Hubble is dat Webb naar nog verder verwijderde sterrenstelsels kan kijken dan Hubble, en veel van deze sterrenstelsels zijn zo ver weg dat het heel lang duurt voordat hun licht ons bereikt. Terwijl het universum gedurende deze tijd uitdijt, wordt dit licht uit de zichtbare lichtgolflengten naar het infrarood verschoven in een proces dat roodverschuiving wordt genoemd.
Dit roept een raadsel op: hoe moeten beeldprocessors een sterrenstelsel weergeven dat onzichtbaar zou zijn voor onze ogen vanwege de roodverschuiving, maar die zichtbaar licht zou afgeven als hij zich ervoor zou bevinden ons? Het diepe veld van Webb zit vol met dergelijke roodverschoven sterrenstelsels, en zelfs de relatief dichtstbijzijnde cluster van sterrenstelsels in de afbeelding is ook roodverschoven.
“Sommige mensen zullen een filosofisch argument hebben over de kleuren in deze afbeelding, omdat de cluster van sterrenstelsels al vier en een half miljard lichtjaar verwijderd is. Technisch gezien zou het dus een roodverschuiving moeten hebben. Dit zou veel roder moeten zijn dan het lijkt”, aldus DePasquale.
Maar in plaats daarvan kiest hij ervoor om de gegevens te presenteren op een manier die de roodverschuiving verzacht en een breder scala aan kleuren gebruikt om meer informatie te geven.
“Laten we, in plaats van het hele beeld een rode tint te geven, het spiraalstelsel waarin we kijken, maken dit beeld het witte referentiepunt, zodat de cluster nu wit wordt in plaats van geel”, zegt hij gezegd. “En dan krijg je kleurinformatie van al het andere erachter. Dus de echt heel verre sterrenstelsels verschijnen nu als rode punten in deze afbeelding, en andere dingen die dichterbij zijn, zijn minder rood.”
Het verhaal van Webb
Deze aanpak helpt kijkers niet alleen de diversiteit van sterrenstelsels in het diepe veld te zien, maar benadrukt ook de bijzondere capaciteiten van Webb.
“Het verhaal van Webb is dat hij verre, verre sterrenstelsels kan zien, terwijl Hubble op een punt komt dat hij ze niet meer kan zien omdat ze roodverschoven zijn naar infrarood licht,” zei hij.
Dit vermogen om naar deze sterrenstelsels met een hoge roodverschuiving te zoeken, zal Webb in staat stellen enkele van de vroegste sterrenstelsels te zien die zich in het zeer jonge heelal hebben gevormd. Het is niet zo dat Webb simpelweg krachtiger is dan Hubble, maar eerder dat ze naar verschillende delen van het elektromagnetische spectrum kijken.
Dit wordt gecompliceerd door het feit dat de resolutie van Webb verandert op basis van de golflengte waarnaar hij kijkt. Bij langere golflengten hebben de beelden een lagere resolutie. Maar deze relatie tussen golflengte en resolutie is niet noodzakelijkerwijs slecht voor het werken met diepveldbeelden.
“Het werkt goed voor het deep field-beeld, omdat de sterrenstelsels die je waarneemt op de langste golflengten voorkomen echt de zwakke, of de echt stoffige, en ze hebben in het begin misschien niet veel structuur, ”DePasquale gezegd. "Dus als ze iets minder opgelost zijn, ziet het er eigenlijk heel natuurlijk uit op de afbeelding."
Wetenschappelijke kennis en creatieve vrijheid
Het werk van beeldverwerkers als DePasquale is vaak de eerste manier waarop leden van het publiek met ruimtewetenschap in aanraking komen, dus het is belangrijk dat dit zowel accuraat als aantrekkelijk is. Dat vereist een zekere mate van vertrouwen tussen de wetenschappers die het onderzoek uitvoeren en de verwerkers die dat werk aan het publiek presenteren.
Maar in zijn ervaring, zo zegt hij, zijn de meeste wetenschappers blij als hun werk wordt vertaald in kleurenbeelden. “Op dit punt in mijn carrière ben ik op het punt gekomen waarop ik de creatieve vrijheid krijg om een mooi beeld te creëren, maar mensen vertrouwen dat ik de wetenschap goed genoeg ken om een prachtig kleurenbeeld te kunnen creëren dat ook nog eens een wetenschappelijk verhaal vertelt”, aldus DePasquale.
De reactie op de eerste James Webb-beelden was hiervan een voorbeeld. Niet alleen ruimtevaartexperts zijn enthousiast over het potentieel van deze nieuwe telescoop; Ook het publiek van over de hele wereld was verbaasd bij het aanschouwen van deze fascinerende nieuwe kijk op de kosmos.
Dit is nog maar het begin van wat we van Webb zullen zien, en de komende maanden zullen er nog veel meer beelden van de telescoop worden gedeeld.
DePasquale zegt dat de publieke reactie op de eerste beelden alles is waar hij op had gehoopt. “Het was geweldig om te zien. Ze zijn letterlijk overal. Ze werden uitgerekend op Times Square tentoongesteld. Het was ongelooflijk.”
Aanbevelingen van de redactie
- James Webb ontdekt oud stof dat afkomstig zou kunnen zijn van de vroegste supernova's
- Zoom in op de verbluffende James Webb-afbeelding en zie een sterrenstelsel dat 13,4 miljard jaar geleden werd gevormd
- James Webb ziet het verste actieve superzware zwarte gat dat ooit is ontdekt
- James Webb ontdekt aanwijzingen voor de grootschalige structuur van het universum
- James Webb detecteert een belangrijk molecuul in de verbluffende Orionnevel
