Como o JWST vê objetos interestelares invisíveis

O Telescópio Espacial James Webb recentemente surpreendeu o mundo com seu primeiras imagens do espaço, incluindo um imagem de campo profundo que mostrou o universo infravermelho com mais profundidade do que nunca.

Mas você não pode simplesmente apontar um telescópio para um pedaço do espaço e tirar uma foto. Os dados recolhidos por Webb têm de ser traduzidos do infravermelho para a luz visível e processados ​​numa imagem antes de poderem ser partilhados com o público.

Processar esses dados em belas imagens é o trabalho de Joe DePasquale, da Space Telescope Science Institute, que foi responsável pelo processamento de algumas das primeiras imagens de James Webb, incluindo a icônica imagem profunda campo. Ele nos contou o que é necessário para dar vida a esses dados incríveis.

Uma roda giratória de filtros

Para reunir dados sobre os diversos tipos de alvos que James Webb irá observar, desde buracos negros até exoplanetas, seus instrumentos precisam ser capazes de fazer leituras em diferentes comprimentos de onda dentro do infravermelho. Para isso, seus instrumentos estão munidos de rodas de filtro, que são carrosséis de materiais diferentes, cada um permitindo a passagem de diferentes comprimentos de onda de luz.

Os cientistas selecionam quais instrumentos e comprimentos de onda desejam usar em suas observações, e as rodas do filtro giram para colocar o elemento correspondente na frente dos sensores do instrumento. Embora a introdução de peças móveis em uma tecnologia tão complexa seja sempre um risco, os engenheiros têm bastante prática em trabalhar com esse tipo de hardware agora, já que rodas de filtros semelhantes são usadas em outros telescópios espaciais, como o Telescópio Espacial Hubble e o Observatório de Raios-X Chandra.

“É incrível que essas espaçonaves tenham peças móveis que continuam a funcionar por anos e estão prontas para voar e resistentes à radiação”, disse DePasquale.

Quando Webb observa um alvo, ele olha primeiro usando um filtro, depois outro e mais, se necessário. Para a primeira imagem de campo profundo de Webb, foram coletados dados usando seis filtros, cada um dos quais produz uma imagem em preto e branco. Cada filtro foi utilizado para uma exposição de duas horas, totalizando 12 horas de observação.

Uma vez coletados os dados, eles são enviados às equipes de instrumentos para pré-processamento; então, é entregue à DePasquale. “Você obtém seis imagens individuais, cada uma correspondendo ao filtro com o qual foi tirada”, disse ele. Sua tarefa é transformar essas seis imagens em preto e branco em uma das imagens impressionantes do espaço que adoramos admirar.

Combinando preto e branco para criar cores

DePasquale receberá um número variável de imagens dependendo de quantos filtros os pesquisadores escolheram e depois os combinará em uma única imagem. Ao mapear os dados desses filtros em canais de cores, ele cria uma imagem colorida. Para este trabalho, ele usará uma combinação de softwares de edição gráfica de uso geral, como Adobe Photoshop e software astronômico especializado como PixInsight, que foi originalmente desenvolvido para astrofotografia amadora.

Os filtros podem ser mapeados em canais de várias maneiras, mas normalmente DePasquale diz que mapeará os canais vermelho, verde e azul, ou RGB, que são comumente usados ​​para imagens digitais.

“Combinar coisas em RGB geralmente cria uma imagem com aparência mais natural, pois isso se deve à natureza de nossos olhos e à forma como eles percebem a luz”, disse ele. “Temos células cônicas em nossos olhos que respondem à luz vermelha, verde e azul. Portanto, nossos olhos já estão preparados para interpretar o mundo dessa forma.”

Na imagem de campo profundo, ele pegou os seis filtros – F090W, F150W, F200W, F277W, F356W e F444W, que são nomeados de acordo com o comprimento de onda em que observam – e combinou os dois filtros de comprimento de onda mais curto em azul, os dois filtros de comprimento de onda médio em verde e os dois filtros de comprimento de onda mais longo em verde. Eles são então combinados usando o modo de mesclagem de tela do Adobe Photoshop, que adiciona as camadas para criar uma imagem colorida.

Em outras imagens, como a imagem de Webb do Nebulosa Carina, que foi processado pela colega de DePasquale, Alyssa Pagan, cada um dos seis filtros diferentes recebeu sua própria cor para selecionar todas as diferentes características da nebulosa. Mas isso não funcionou tão bem para o campo profundo.

“Tentei dar a cada filtro uma cor única”, disse DePasquale. “Isso pode criar uma bela imagem, mas no caso do campo profundo realmente não funcionou bem. Estava criando alguns artefatos de cores estranhas e as galáxias não apareciam como deveriam. Então optei por essa abordagem e ela criou uma imagem colorida com aparência mais natural para mim.”

Uma imagem mais bonita

É por isso que o trabalho de processamento de imagens requer um toque artístico e também uma compreensão científica. O trabalho de um processador é criar uma imagem que represente os dados com precisão e seja visualmente atraente.

Uma vez combinados os dados de diferentes filtros, DePasquale trabalha no ajuste dos níveis de cor da imagem para tornar algo atraente, mas de uma forma baseada em princípios astronômicos. No que diz respeito à imagem de campo profundo de Webb, ele ajustou as cores com base no uso de uma galáxia espiral específica como ponto de referência branco e uma mancha vazia do céu como fundo cinza.

“Quando temos uma imagem de campo profundo ou uma imagem com muitas galáxias ao fundo, minha abordagem geralmente é usar galáxias espirais frontais como ponto de referência branco para toda a imagem”, ele explicou.

“Isso ocorre porque as galáxias espirais expostas exibirão uma população inteira de estrelas, desde as estrelas mais jovens até as estrelas mais antigas, representando todas as cores possíveis nas estrelas”, disse ele. “Então vamos dos azuis brilhantes das estrelas jovens às estrelas amareladas e velhas e tudo mais. Então, se você usar isso como ponto de referência branco, terá uma imagem geral muito bem equilibrada.”

A aparência de um campo profundo

Até agora, temos apenas dois observatórios capazes de criar imagens de campo profundo: Hubble e Webb. O Hubble opera na faixa da luz visível, enquanto o Webb opera na faixa infravermelha, mas ambos estão obtendo imagens de galáxias distantes em partes escuras do céu. É interessante comparar a aparência dos campos profundos de cada um e ver como eles diferem.

As imagens do Webb terão uma aparência única em comparação com imagens de outros telescópios, como o Hubble. Isto é mais perceptível na forma como as estrelas brilhantes aparecem, com os seus distintos picos de difração de oito pontas. Isto é devido ao forma do espelho de Webb e é inerente às imagens capturadas com o telescópio.

Mas, no geral, DePasquale diz que pretende uma consistência geral entre as imagens recolhidas pelo Webb e as recolhidas pelo Hubble. Afinal, independentemente de como os dados são coletados, os objetos fotografados são semelhantes.

Quando se trata de imagens de campo profundo, “isso é algo com que venho trabalhando há muitos anos”, disse DePasquale. “Então, eu meio que tenho uma noção intuitiva de como deveria ser. E eu sei que uma galáxia espiral frontal deve ter uma certa aparência, as manchas distantes devem ter uma certa tonalidade e tudo o que está entre elas deve parecer natural.”

Uma filosofia do infravermelho

Uma grande diferença entre o Webb e o Hubble é que o Webb é capaz de observar galáxias ainda mais distantes. do que o Hubble, e muitas destas galáxias estão tão distantes que a sua luz demora muito tempo a chegar até nós. À medida que o Universo se expande durante este período, esta luz é deslocada dos comprimentos de onda da luz visível para o infravermelho, num processo denominado desvio para o vermelho.

Isso levanta um enigma: como os processadores de imagem deveriam exibir uma galáxia que seria invisível? aos nossos olhos por causa do desvio para o vermelho, mas que estaria emitindo luz visível se estivesse na frente de nós? O campo profundo de Webb está repleto dessas galáxias com desvio para o vermelho, e mesmo o aglomerado principal de galáxias relativamente mais próximo na imagem também está com desvio para o vermelho.

“Algumas pessoas terão um argumento filosófico sobre as cores nesta imagem, porque o aglomerado de galáxias já está a quatro mil milhões e meio de anos-luz de distância. Portanto, tecnicamente deveria ser desviado para o vermelho. Deveria ser muito mais vermelho do que parece”, disse DePasquale.

Mas, em vez disso, ele opta por apresentar os dados de uma forma que atenua o desvio para o vermelho e usa uma gama mais ampla de cores para fornecer mais informações.

“Em vez de fazer com que toda a imagem tenha um tom vermelho, vamos fazer com que a galáxia espiral que vemos esta imagem é o ponto de referência branco, de modo que o aglomerado agora se torna branco em vez de amarelo”, ele disse. “E então, você obtém informações de cores de tudo o mais por trás disso. Portanto, as galáxias muito, muito distantes aparecem agora como pontos vermelhos nesta imagem, e outras coisas que estão mais próximas são menos vermelhas.”

A história de Webb

Esta abordagem não só ajuda os observadores a ver a diversidade das galáxias no campo profundo, mas também destaca as habilidades específicas de Webb.

“A história do Webb é que ele pode ver galáxias muito distantes, enquanto o Hubble chega a um ponto em que não consegue mais vê-las porque elas mudaram para o vermelho para luz infravermelha”, disse ele.

Esta capacidade de procurar estas galáxias com elevado desvio para o vermelho é o que permitirá a Webb ver algumas das primeiras galáxias que se formaram no universo muito jovem. Não é que Webb seja simplesmente mais poderoso que o Hubble, mas sim que eles estão olhando para diferentes partes do espectro eletromagnético.

Isto é complicado pelo fato de que a resolução do Webb muda com base no comprimento de onda que ele observa. Em comprimentos de onda mais longos, suas imagens têm resolução mais baixa. Mas esta relação entre comprimento de onda e resolução não é necessariamente ruim para trabalhar com imagens de campo profundo.

“Funciona bem para imagens de campo profundo porque nos comprimentos de onda mais longos as galáxias que você está detectando estão realmente os fracos, ou os muito empoeirados, e podem não ter muita estrutura para começar”, DePasquale disse. “Então, se eles estiverem um pouco menos resolvidos, na verdade parece muito natural na imagem.”

Conhecimento científico e liberdade criativa

O trabalho de processadores de imagem como DePasquale é muitas vezes a primeira forma pela qual o público se envolve com a ciência espacial, por isso é importante que seja preciso e atraente. Isso requer um certo grau de confiança entre os cientistas que realizam a investigação e os processadores que apresentam esse trabalho ao público.

Mas, segundo a sua experiência, diz ele, a maioria dos cientistas fica encantada por ver o seu trabalho traduzido em imagens coloridas. “Neste ponto da minha carreira, cheguei ao ponto em que tenho liberdade criativa para criar uma imagem bonita, mas as pessoas confiam que conheço a ciência suficientemente bem para ser capaz de criar uma bela imagem colorida que também conte uma história científica”, disse De Pasquale.

A reação às primeiras imagens de James Webb foi um exemplo disso. Não apenas os especialistas espaciais estão entusiasmados em ver o potencial deste novo telescópio; o público de todo o mundo também ficou surpreso ao ver essas novas e fascinantes visões do cosmos.

Este é apenas o começo do que veremos no Webb, com muito mais imagens do telescópio a serem compartilhadas nos próximos meses.

DePasquale diz que a reação do público às primeiras imagens é tudo o que ele esperava. “Foi incrível ver. Eles estão literalmente em toda parte. Eles foram exibidos na Times Square, entre todos os lugares. Tem sido incrível.”

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