Hvordan JWST ser usynlige interstellare objekter

James Webb-romteleskopet overveldet nylig verden med sitt første bilder av verdensrommet, inkludert en dypfeltsbilde som viste det infrarøde universet i mer dybde enn noen gang før.

Men du kan ikke bare rette et teleskop mot et område og ta et bilde. Dataene som samles inn av Webb må oversettes fra det infrarøde og til det synlige lyset og bearbeides til et bilde før de kan deles med publikum.

Å behandle disse dataene til vakre bilder er jobben til Joe DePasquale fra Space Telescope Science Institute, som var ansvarlig for å behandle noen av de første James Webb-bildene, inkludert den ikoniske dypen felt. Han fortalte oss hva som skal til for å gjøre disse utrolige dataene levende.

Et roterende hjul med filtre

For å samle data om de mange forskjellige typer mål som James Webb vil observere, fra sorte hull til eksoplaneter, må instrumentene deres være i stand til å ta avlesninger ved forskjellige bølgelengder innenfor infrarød. For å gjøre det er instrumentene bevæpnet med filterhjul, som er karuseller av forskjellige materialer som hver tillater forskjellige bølgelengder av lys å passere gjennom.

Forskere velger hvilke instrumenter og hvilke bølgelengder de vil bruke for sine observasjoner, og filterhjulene roterer for å sette det tilsvarende elementet foran instrumentets sensorer. Selv om det alltid er en risiko å introdusere bevegelige deler i et så komplekst stykke teknologi, er ingeniører godt øvet med å jobbe med denne typen maskinvare nå, ettersom lignende filterhjul brukes i andre rombaserte teleskoper som Hubble Space Telescope og Chandra X-ray Observatory.

"Det er utrolig at disse romfartøyene har disse bevegelige delene i seg som fortsetter å fungere i årevis og er flyklare og strålingsherdede," sa DePasquale.

Når Webb observerer et mål, vil det først se ut ved å bruke ett filter, deretter et annet, og deretter mer om nødvendig. For Webbs første dypfeltsbilde tok det data ved å bruke seks filtre, som hver produserer et svart-hvitt-bilde. Hvert filter ble brukt for en to-timers eksponering, noe som tilsvarer totalt 12 timers observasjonstid.

Når dataene er samlet inn, sendes de til instrumentteam for forhåndsbehandling; deretter leveres den til DePasquale. "Du får seks individuelle bilder, hver tilsvarer filteret den ble tatt med," sa han. Hans oppgave er å gjøre disse seks svart-hvitt-bildene til et av de fantastiske bildene av verdensrommet vi elsker å beundre.

Kombiner svart og hvitt for å lage farge

DePasquale vil motta et varierende antall bilder avhengig av hvor mange filtre forskerne har valgt, deretter vil han kombinere dem til ett enkelt bilde. Ved å kartlegge data fra disse filtrene til fargekanaler, lager han et fargebilde. For dette arbeidet vil han bruke en kombinasjon av grafikkredigeringsprogramvare for generell bruk som Adobe Photoshop og astronomisk spesialprogramvare som PixInsight, som opprinnelig ble utviklet for amatørastrofotografering.

Filtrene kan kartlegges på kanaler på alle mulige måter, men typisk sier DePasquale at han vil kartlegge på de røde, grønne og blå kanalene, eller RGB, som vanligvis brukes for digitale bilder.

"Å kombinere ting i RGB skaper vanligvis det mest naturlig utseende bildet, siden det er på grunn av naturen til øynene våre og hvordan de oppfatter lys," sa han. "Vi har kjeglecellene i øynene våre som reagerer på rødt, grønt og blått lys. Så øynene våre er allerede klar til å tolke verden på den måten.»

I dypfeltbildet tok han de seks filtrene - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W og F444W, som er oppkalt etter bølgelengden de observerer - og kombinerte de to korteste bølgelengdefiltrene til blått, de to middels bølgelengdefiltrene til grønt og de to lengste bølgelengdefiltrene til grønt. Disse kombineres deretter ved å bruke skjermblandingsmodusen i Adobe Photoshop, som legger lagene sammen for å lage et fargebilde.

I andre bilder, som Webb-bildet av Carina-tåken, som ble behandlet av DePasquales kollega Alyssa Pagan, ble hvert av de seks forskjellige filtrene tildelt sin egen farge for å plukke ut alle de forskjellige egenskapene til tåken. Men det fungerte ikke så bra for det dype feltet.

"Jeg prøvde å gi hvert filter sin egen unike farge," sa DePasquale. "Det kan skape et fint bilde, men i tilfellet med det dype feltet fungerte det virkelig ikke bra. Det skapte noen merkelige fargegjenstander og galakser dukket ikke opp som de skulle. Så jeg gikk med denne tilnærmingen, og den gjorde et mer naturlig fargebilde for meg.»

Et bedre bilde

Dette er grunnen til at bildebehandlingsarbeid krever et kunstnerisk preg så vel som vitenskapelig forståelse. Jobben til en prosessor er å lage et bilde som både nøyaktig representerer dataene og er visuelt tiltalende.

Når data fra forskjellige filtre er kombinert, jobber DePasquale med å justere bildets fargenivåer for å gjøre noe attraktivt, men på en måte som er basert på astronomiske prinsipper. Når det kom til Webbs dypfeltbilde, justerte han fargene basert på å bruke en bestemt spiralgalakse som det hvite referansepunktet og en tom himmelflekk som den grå bakgrunnen.

"Når vi har et dypfeltsbilde eller et bilde med mange galakser i bakgrunnen, er min tilnærming generelt er å bruke ansikt-på-spiralgalakser som det hvite referansepunktet for hele bildet,» han forklart.

"Det er fordi ansikt-på spiralgalakser vil vise en hel populasjon av stjerner, fra de yngste stjernene til de eldste stjernene, som representerer alle fargene som er mulig i stjerner," sa han. "Så vi går fra den lyse blå fargen til unge stjerner til de gamle gulaktige stjernene og alt i mellom. Så hvis du bruker det som ditt hvite referansepunkt, gir det deg et veldig pent balansert bilde totalt sett."

Utseendet til et dypt felt

Så langt har vi bare to observatorier som er i stand til å lage dypfeltsbilder: Hubble og Webb. Hubble opererer i det synlige lysområdet, mens Webb opererer i det infrarøde, men begge tar utsikt over fjerne galakser i dunkle deler av himmelen. Det er interessant å sammenligne utseendet til dype felt fra hver og se hvordan de skiller seg.

Bilder fra Webb vil ha sitt eget unike utseende sammenlignet med bilder fra andre teleskoper som Hubble. Dette er mest merkbart på måten lyse stjerner vises på, med sine karakteristiske åttespissede diffraksjonspigger. Dette er på grunn av formen til Webbs speil og er iboende for bilder tatt med teleskopet.

Men totalt sett sier DePasquale at han tar sikte på en generell konsistens mellom bilder samlet av Webb og de som samles inn av Hubble. Tross alt, uavhengig av hvordan dataene samles inn, er objektene som avbildes like.

Når det gjelder dypfeltbilder, "er det noe jeg har jobbet med i mange år," sa DePasquale. «Så jeg har på en måte en intuitiv følelse av hvordan det skal se ut. Og jeg vet at en spiralgalakse skal ha et visst utseende, de fjerne flekker skal ha en viss fargetone, og alt i mellom skal se naturlig ut.»

En filosofi om det infrarøde

En stor forskjell mellom Webb og Hubble er at Webb er i stand til å se på enda fjernere galakser enn Hubble, og mange av disse galaksene er så langt unna at lyset deres bruker veldig lang tid på å nå oss. Når universet ekspanderer i løpet av denne tiden, flyttes dette lyset ut av bølgelengdene for synlig lys og inn i det infrarøde i en prosess som kalles rødforskyvning.

Dette bringer opp en gåte: Hvordan skal bildeprosessorer vise en galakse som ville være usynlig for våre øyne på grunn av rødforskyvning, men som ville gitt fra seg synlig lys hvis det var foran oss? Webb-dypfeltet er fullt av slike rødforskyvede galakser, og selv den relativt nærmere hovedgalaksehopen på bildet er også rødforskyvet.

«Noen mennesker vil ha et filosofisk argument om fargene i dette bildet, fordi galaksehopen allerede er fire og en halv milliard lysår unna. Så teknisk sett burde den rødforskyves. Dette burde være mye mer rødt enn det ser ut, sa DePasquale.

Men han velger i stedet å presentere dataene på en måte som reduserer rødforskyvningen og bruker et bredere spekter av farger for å gi mer informasjon.

"I stedet for å få hele bildet til å ha et rødt over seg, la oss lage spiralgalaksen vi ser i dette bildet det hvite referansepunktet, slik at klyngen nå blir hvit i stedet for gul,» han sa. "Og så får du fargeinformasjon fra alt det andre bak. Så de virkelig, virkelig fjerne galaksene vises nå som røde punkter i dette bildet, og andre ting som er nærmere er mindre røde.»

Historien om Webb

Denne tilnærmingen hjelper ikke bare seerne med å se mangfoldet av galakser i det dype feltet, men fremhever også de spesielle evnene til Webb.

"Historien med Webb er at den kan se de fjerne, fjerne galaksene, mens Hubble kommer til et punkt at den ikke lenger kan se dem fordi de har forskjøvet seg til infrarødt lys," sa han.

Denne evnen til å se etter disse galaksene med høy rødforskyvning er det som vil gjøre det mulig for Webb å se noen av de tidligste galaksene som ble dannet i det veldig unge universet. Det er ikke det at Webb rett og slett er kraftigere enn Hubble, men snarere at de ser på forskjellige deler av det elektromagnetiske spekteret.

Dette kompliseres av det faktum at Webbs oppløsning endres basert på bølgelengden den ser på. Ved lengre bølgelengder har bildene lavere oppløsning. Men dette forholdet mellom bølgelengde og oppløsning er ikke nødvendigvis en dårlig ting for å jobbe med dypfeltsbilder.

"Det fungerer bra for dypfeltbildet fordi galaksene du oppdager ved de lengste bølgelengdene er egentlig de svake, eller de virkelig støvete, og de har kanskje ikke mye struktur til å begynne med,» DePasquale sa. "Så hvis de er litt mindre løst, ser det faktisk veldig naturlig ut på bildet."

Vitenskapelig kunnskap og kreativ frihet

Arbeidet til bildeprosessorer som DePasquale er ofte den første måten publikum engasjerer seg i romvitenskap, så det er viktig at det er både nøyaktig og tiltalende. Det krever en viss grad av tillit mellom forskerne som utfører forskningen og prosessorene som presenterer arbeidet for offentligheten.

Men etter hans erfaring, sier han, er de fleste forskere glade for å se arbeidet deres oversatt til fargebilder. "På dette tidspunktet i karrieren min har jeg kommet til det punktet hvor jeg får kreativ frihet til å lage et vakkert bilde, men folk stoler på at jeg kjenner vitenskapen godt nok til å kunne lage et vakkert fargebilde som også forteller en vitenskapelig historie," sa DePasquale.

Reaksjonen på de første James Webb-bildene var et eksempel. Ikke bare romfartseksperter har vært begeistret for å se potensialet til dette nye teleskopet; medlemmer av publikum fra hele verden har også blitt overrasket over å se disse fascinerende nye utsiktene over kosmos.

Dette er bare begynnelsen på det vi vil se fra Webb, med mange flere bilder fra teleskopet som skal deles i løpet av de kommende månedene.

DePasquale sier at den offentlige reaksjonen på de første bildene er alt han hadde håpet på. «Det har vært fantastisk å se. De er bokstavelig talt overalt. De ble vist på Times Square, av alle steder. Det har vært utrolig."

Redaktørenes anbefalinger

• James Webb oppdager gammelt støv som kan være fra de tidligste supernovaene
• Zoom inn på det fantastiske James Webb-bildet for å se en galakse som ble dannet for 13,4 milliarder år siden
• James Webb oppdager det mest fjerne aktive supermassive sorte hullet som noen gang er oppdaget
• James Webb oppdager ledetråder til universets storskalastruktur
• James Webb oppdager viktige molekyler i den fantastiske Orion-tåken