Jak JWST widzi niewidzialne obiekty międzygwiezdne

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zadziwił ostatnio świat swoim zdjęciem pierwsze zdjęcia kosmosu, w tym A obraz głębokiego pola który pokazał wszechświat w podczerwieni głębiej niż kiedykolwiek wcześniej.

Ale nie można po prostu skierować teleskopu na skrawek przestrzeni i zrobić zdjęcie. Dane zebrane przez Webba muszą zostać przetłumaczone z podczerwieni na światło widzialne i przetworzone na obraz, zanim będą mogły zostać udostępnione opinii publicznej.

Przetwarzanie tych danych w piękne obrazy jest zadaniem Joe DePasquale z Space Telescope Science Institute, który był odpowiedzialny za przetwarzanie niektórych z pierwszych obrazów Jamesa Webba, w tym kultowej głębiny pole. Powiedział nam, co jest potrzebne, aby te niesamowite dane ożyły.

Obrotowe koło filtrów

Aby zebrać dane na temat wielu różnych typów celów, które będzie obserwował James Webb, od czarnych dziur po egzoplanet, jego instrumenty muszą być w stanie dokonywać odczytów na różnych długościach fal w obrębie podczerwień. Aby to zrobić, jego instrumenty są uzbrojone koła filtrujące, czyli karuzele wykonane z różnych materiałów, z których każda przepuszcza światło o różnej długości fali.

Naukowcy wybierają, jakie instrumenty i jakie długości fal chcą wykorzystać do swoich obserwacji, a koła filtrów obracają się, aby umieścić odpowiedni element przed czujnikami instrumentu. Chociaż wprowadzenie ruchomych części do tak złożonego elementu technologii zawsze wiąże się z ryzykiem, inżynierowie mają duże doświadczenie w pracy z tego rodzaju elementami. sprzętu, ponieważ podobne koła filtrowe są używane w innych teleskopach kosmicznych, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a i Obserwatorium Rentgenowskie Chandra.

„To niewiarygodne, że te statki kosmiczne mają ruchome części, które działają przez lata, są gotowe do lotu i odporne na promieniowanie” – powiedział DePasquale.

Kiedy Webb obserwuje cel, najpierw przyjrzy się temu przy użyciu jednego filtra, potem drugiego, a w razie potrzeby jeszcze większej liczby. Do pierwszego obrazu głębokiego pola Webba zebrano dane przy użyciu sześciu filtrów, z których każdy dawał czarno-biały obraz. Każdy filtr stosowano przez dwie godziny ekspozycji, co dało w sumie 12 godzin obserwacji.

Po zebraniu danych są one wysyłane do zespołów instrumentalnych w celu wstępnego przetworzenia; następnie jest dostarczany do DePasquale. „Otrzymujesz sześć pojedynczych zdjęć, każde odpowiadające filtrowi, za pomocą którego zostało zrobione” – powiedział. Jego zadaniem jest przekształcenie tych sześciu czarno-białych obrazów w jeden z zachwycających obrazów przestrzeni, który uwielbiamy podziwiać.

Łączenie czerni i bieli w celu uzyskania koloru

DePasquale otrzyma różną liczbę obrazów, w zależności od tego, ile filtrów wybrali badacze, a następnie połączy je w jeden obraz. Mapując dane z tych filtrów na kanały kolorów, tworzy kolorowy obraz. W tej pracy użyje kombinacji oprogramowania do edycji grafiki ogólnego przeznaczenia, takiego jak Adobe Photoshop i specjalistyczne oprogramowanie astronomiczne, takie jak PixInsight, które zostało pierwotnie opracowane do astrofotografii amatorskiej.

Filtry można mapować na kanały na różne sposoby, ale DePasquale twierdzi, że zazwyczaj mapuje je na kanały czerwony, zielony i niebieski, czyli RGB, które są powszechnie używane w obrazach cyfrowych.

„Łączenie elementów w trybie RGB zwykle pozwala uzyskać najbardziej naturalnie wyglądający obraz, ponieważ wynika to z natury naszych oczu i sposobu, w jaki postrzegają one światło” – powiedział. „W naszych oczach mamy czopki, które reagują na światło czerwone, zielone i niebieskie. Zatem nasze oczy są już przygotowane na interpretowanie świata w ten sposób.”

Na obrazie głębokiego pola wziął sześć filtrów — F090W, F150W, F200W, F277W, F356W i F444W, których nazwy pochodzą od długości fali, na której obserwują — i połączył dwa filtry o najkrótszej długości fali w kolor niebieski, dwa filtry o średniej długości fali w kolor zielony i dwa filtry o największej długości fali w kolor zielony. Są one następnie łączone przy użyciu trybu mieszania ekranu w programie Adobe Photoshop, który dodaje warstwy, tworząc kolorowy obraz.

Na innych obrazach, takich jak obraz Webba przedstawiający Mgławica Kila, który został przetworzony przez koleżankę DePasquale, Alyssę Pagan, każdemu z sześciu różnych filtrów przypisano własny kolor, aby wychwycić wszystkie cechy mgławicy. Ale to nie sprawdziło się zbyt dobrze w przypadku głębokiego pola.

„Próbowałem nadać każdemu filtrowi własny, niepowtarzalny kolor” – powiedział DePasquale. „To może stworzyć ładny obraz, ale w przypadku głębokiego pola naprawdę nie działało dobrze. Tworzył dziwne kolorowe artefakty, a galaktyki nie wyglądały tak, jak powinny. Zdecydowałem się więc na to podejście i dzięki temu kolorowy obraz wyglądał bardziej naturalnie”.

Lepiej wyglądający obraz

Właśnie dlatego obróbka obrazu wymaga artystycznego akcentu i naukowego zrozumienia. Zadaniem procesora jest stworzenie obrazu, który dokładnie przedstawia dane i jest atrakcyjny wizualnie.

Po połączeniu danych z różnych filtrów DePasquale pracuje nad dostosowaniem poziomów kolorów obrazu, aby uzyskać atrakcyjny efekt, ale w sposób oparty na zasadach astronomicznych. Jeśli chodzi o obraz głębokiego pola Webba, dostosował kolory w oparciu o użycie konkretnej galaktyki spiralnej jako białego punktu odniesienia i pustej plamy nieba jako szarego tła.

„Kiedy mamy obraz głębokiego pola lub obraz z wieloma galaktykami w tle, to moje podejście ogólnie rzecz biorąc, polega na używaniu skierowanych twarzą w twarz galaktyk spiralnych jako białego punktu odniesienia dla całego zdjęcia” – stwierdził wyjaśnione.

„Dzieje się tak, ponieważ galaktyki spiralne skierowane twarzą w twarz będą wyświetlać całą populację gwiazd, od najmłodszych do najstarszych, reprezentujących wszystkie możliwe kolory gwiazd” – powiedział. „Przechodzimy więc od jasnego błękitu młodych gwiazd do starych, żółtawych gwiazd i wszystkiego pomiędzy. Jeśli więc użyjesz tego jako białego punktu odniesienia, otrzymasz ogólnie naprawdę ładnie zrównoważony obraz.

Wygląd głębokiego pola

Jak dotąd mamy tylko dwa obserwatoria zdolne do tworzenia obrazów głębokiego pola: Hubble i Webb. Hubble działa w zakresie światła widzialnego, podczas gdy Webb działa w podczerwieni, ale oba rejestrują odległe galaktyki w ciemnych partiach nieba. Interesujące jest porównanie wyglądu głębokich pól każdego z nich i zobaczenie, czym się różnią.

Zdjęcia z Webba będą miały swój własny, niepowtarzalny wygląd w porównaniu do zdjęć z innych teleskopów, takich jak Hubble. Jest to najbardziej zauważalne w sposobie pojawiania się jasnych gwiazd z ich charakterystycznymi ośmioramiennymi kolcami dyfrakcyjnymi. Dzieje się tak za sprawą kształt zwierciadła Webba i jest nieodłącznym elementem zdjęć zarejestrowanych za pomocą teleskopu.

Ale ogólnie DePasquale twierdzi, że dąży do ogólnej spójności między obrazami zebranymi przez Webba i tymi zebranymi przez Hubble'a. Przecież niezależnie od tego, w jaki sposób zbierane są dane, obrazowane obiekty są podobne.

Jeśli chodzi o obrazy głębokiego pola, „pracuję nad tym od wielu lat” – powiedział DePasquale. „Mam więc intuicyjne wyczucie, jak to powinno wyglądać. I wiem, że galaktyka spiralna skierowana twarzą w twarz powinna mieć określony wygląd, odległe smugi powinny mieć określony odcień, a wszystko pomiędzy powinno wyglądać naturalnie.

Filozofia podczerwieni

Jedną dużą różnicą między Webbem i Hubblem jest to, że Webb jest w stanie patrzeć na jeszcze bardziej odległe galaktyki niż Hubble, a wiele z tych galaktyk jest tak daleko, że ich światło potrzebuje bardzo dużo czasu, aby do nas dotrzeć. Gdy w tym czasie Wszechświat się rozszerza, światło to jest przesuwane z zakresu widzialnego do podczerwieni w procesie zwanym przesunięciem ku czerwieni.

To rodzi zagadkę: w jaki sposób procesory obrazu powinny wyświetlać galaktykę, która byłaby niewidoczna do naszych oczu z powodu przesunięcia ku czerwieni, ale który emitowałby światło widzialne, gdyby znajdował się przed nim nas? Głębokie pole Webba jest pełne takich przesuniętych ku czerwieni galaktyk i nawet stosunkowo bliższa główna gromada galaktyk na zdjęciu również jest przesunięta ku czerwieni.

„Niektórzy będą mieli filozoficzny spór na temat kolorów na tym zdjęciu, ponieważ gromada galaktyk jest już oddalona o cztery i pół miliarda lat świetlnych. Więc technicznie rzecz biorąc, powinno zostać przesunięte ku czerwieni. To powinno być dużo bardziej czerwone, niż się wydaje” – powiedział DePasquale.

Zamiast tego woli prezentować dane w sposób łagodzący przesunięcie ku czerwieni i wykorzystuje szerszą gamę kolorów, aby przekazać więcej informacji.

„Zamiast sprawiać, że cały obraz będzie oblany czerwienią, stwórzmy galaktykę spiralną, którą widzimy ten obraz będzie białym punktem odniesienia, dzięki czemu gromada stanie się teraz biała, a nie żółta” – on powiedział. „A potem otrzymujesz informacje o kolorze ze wszystkiego, co się za nim kryje. Zatem naprawdę, naprawdę odległe galaktyki są teraz widoczne na tym zdjęciu jako czerwone punkty, a inne obiekty, które są bliżej, są mniej czerwone”.

Historia Webba

Takie podejście nie tylko pomaga widzom dostrzec różnorodność galaktyk w głębokim polu widzenia, ale także podkreśla szczególne zdolności Webba.

„Historia Webba jest taka, że ​​widzi bardzo odległe galaktyki, podczas gdy Hubble dochodzi do punktu, w którym nie może ich już widzieć, ponieważ przesunęły się ku czerwieni w światło podczerwone” – powiedział.

Ta zdolność poszukiwania galaktyk o dużym przesunięciu ku czerwieni umożliwi Webbowi dostrzeżenie niektórych z najwcześniejszych galaktyk, które powstały w bardzo młodym wszechświecie. Nie chodzi o to, że Webb jest po prostu potężniejszy od Hubble'a, ale raczej o to, że badają różne części widma elektromagnetycznego.

Sprawę komplikuje fakt, że rozdzielczość Webba zmienia się w zależności od długości fali, na którą patrzy. Przy dłuższych falach obrazy mają niższą rozdzielczość. Ale ta zależność między długością fali a rozdzielczością niekoniecznie jest zła w przypadku pracy z obrazami o głębokim polu widzenia.

„Działa to dobrze w przypadku obrazu głębokiego pola, ponieważ na najdłuższych falach wykrywane galaktyki są naprawdę te słabe lub naprawdę zakurzone i na początek mogą nie mieć zbyt dużej struktury” – DePasquale powiedział. „Więc jeśli są nieco mniej rozdzielcze, obraz wygląda bardzo naturalnie”.

Wiedza naukowa i swoboda twórcza

Praca procesorów obrazu, takich jak DePasquale, jest często pierwszym sposobem, w jaki społeczeństwo angażuje się w naukę o kosmosie, dlatego ważne jest, aby była zarówno dokładna, jak i atrakcyjna. Wymaga to pewnego poziomu zaufania między naukowcami prowadzącymi badania a podmiotami przetwarzającymi, które prezentują wyniki badań opinii publicznej.

Jednak z jego doświadczenia wynika, że ​​większość naukowców jest zachwycona, gdy ich prace przekładają się na kolorowe obrazy. „Na tym etapie mojej kariery dotarłam do punktu, w którym dano mi swobodę twórczą w zakresie tworzenia pięknego wizerunku, ale ludzie ufają że znam naukę na tyle dobrze, aby móc stworzyć piękny kolorowy obraz, który opowiada także historię naukową” – powiedział DePasquale.

Dobrym przykładem była reakcja na pierwsze obrazy Jamesa Webba. Nie tylko eksperci kosmiczni byli podekscytowani potencjałem tego nowego teleskopu; Opinia publiczna z całego świata również była zdumiona nowymi, fascynującymi widokami kosmosu.

To dopiero początek tego, co zobaczymy za pomocą Webba, a w nadchodzących miesiącach udostępnimy mnóstwo kolejnych zdjęć z teleskopu.

DePasquale mówi, że reakcja opinii publicznej na pierwsze zdjęcia była taka, jakiej oczekiwał. „Wspaniale było to zobaczyć. Są dosłownie wszędzie. Wystawiono je na Times Square, ze wszystkich miejsc. To było niesamowite.”

Zalecenia redaktorów

• James Webb dostrzega starożytny pył, który mógł pochodzić z najwcześniejszych supernowych
• Powiększ oszałamiające zdjęcie Jamesa Webba, aby zobaczyć galaktykę powstałą 13,4 miliarda lat temu
• James Webb dostrzega najdalszą aktywną supermasywną czarną dziurę, jaką kiedykolwiek odkryto
• James Webb dostrzega wskazówki dotyczące wielkoskalowej struktury wszechświata
• James Webb wykrywa ważną cząsteczkę w oszałamiającej mgławicy Oriona