Cum vede JWST obiectele interstelare invizibile

Telescopul spațial James Webb a uimit recent lumea cu ajutorul său primele imagini ale spațiului, inclusiv a imagine de câmp profund care arăta universul infraroșu mai profund decât oricând.

Dar nu poți doar să îndrepti un telescop către un petic de spațiu și să faci o fotografie. Datele colectate de Webb trebuie traduse din infraroșu și în lumina vizibilă și procesate într-o imagine înainte de a putea fi partajată publicului.

Procesarea acestor date în imagini frumoase este treaba lui Joe DePasquale de la Space Telescope Science Institute, care a fost responsabil pentru procesarea unora dintre primele imagini James Webb, inclusiv iconicul adânc camp. El ne-a spus ce este nevoie pentru ca aceste date incredibile să prindă viață.

O roată rotativă a filtrelor

Pentru a aduna date despre multe tipuri diferite de ținte pe care le va observa James Webb, de la găuri negre la exoplanete, instrumentele sale trebuie să poată efectua citiri la diferite lungimi de undă în interiorul infraroşu. Pentru a face asta, instrumentele sale sunt înarmate roți de filtrare, care sunt carusele din materiale diferite prin care fiecare permite trecerea diferitelor lungimi de undă de lumină.

Oamenii de știință selectează ce instrumente și ce lungimi de undă doresc să folosească pentru observațiile lor, iar roțile de filtrare se rotesc pentru a pune elementul corespunzător în fața senzorilor instrumentului. Deși introducerea pieselor în mișcare într-o tehnologie atât de complexă este întotdeauna un risc, inginerii sunt bine antrenați în lucrul cu acest tip de hardware până acum, deoarece roțile de filtrare similare sunt folosite în alte telescoape spațiale precum Telescopul Spațial Hubble și Observatorul de raze X Chandra.

„Este incredibil că aceste nave spațiale au aceste părți în mișcare care continuă să funcționeze ani de zile și sunt pregătite pentru zbor și întărite la radiații”, a spus DePasquale.

Când Webb observă o țintă, va arăta mai întâi folosind un filtru, apoi altul și apoi mai mult, dacă este necesar. Pentru prima imagine de câmp profund a lui Webb, a luat date folosind șase filtre, fiecare dintre acestea producând o imagine alb-negru. Fiecare filtru a fost folosit pentru o expunere de două ore, însumând un total de 12 ore de timp de observare.

Odată ce datele au fost colectate, acestea sunt trimise echipelor de instrumente pentru preprocesare; apoi, este livrat la DePasquale. „Primești șase imagini individuale, fiecare corespunzătoare filtrului cu care a fost făcută”, a spus el. Sarcina lui este să transforme acele șase imagini alb-negru într-una dintre imaginile uimitoare ale spațiului pe care ne place să le admirăm.

Combinarea alb-negru pentru a face culoare

DePasquale va primi un număr variabil de imagini în funcție de câte filtre au ales cercetătorii, apoi le va combina într-o singură imagine. Prin maparea datelor din aceste filtre pe canale de culoare, el creează o imagine color. Pentru această lucrare, el va folosi o combinație de software de editare grafică de uz general, cum ar fi Adobe Photoshop și software astronomic de specialitate precum PixInsight, care a fost dezvoltat inițial pentru astrofotografie amatori.

Filtrele pot fi mapate pe canale în tot felul de moduri, dar de obicei, DePasquale spune că va mapa pe canalele roșii, verzi și albastre, sau RGB, care sunt utilizate în mod obișnuit pentru imaginile digitale.

„Combinarea lucrurilor în RGB creează de obicei cea mai naturală imagine, deoarece aceasta se datorează naturii ochilor noștri și modului în care ei percep lumina”, a spus el. „Avem celule conice în ochi care răspund la lumina roșie, verde și albastră. Deci, ochii noștri sunt deja pregătiți să interpreteze lumea în acest fel.”

În imaginea de câmp profund, el a luat cele șase filtre - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W și F444W, care sunt numite după lungimea de undă la care observă - și a combinat cele două filtre cu cea mai scurtă lungime de undă în albastru, cele două filtre cu lungime de undă medie în verde și cele două filtre cu cea mai mare lungime de undă în verde. Acestea sunt apoi combinate folosind modul de amestecare a ecranului din Adobe Photoshop, care adaugă straturile împreună pentru a crea o imagine color.

În alte imagini, cum ar fi imaginea Webb a nebuloasa Carina, care a fost procesat de colegul lui DePasquale, Alyssa Pagan, fiecăruia dintre cele șase filtre diferite i-a fost atribuită propria culoare pentru a identifica toate caracteristicile diferite ale nebuloasei. Dar asta nu a funcționat atât de bine pentru câmpul profund.

„Am încercat să dau fiecărui filtru propria culoare unică”, a spus DePasquale. „Aceasta poate crea o imagine frumoasă, dar în cazul câmpului profund, chiar nu a funcționat bine. Creau niște artefacte de culoare ciudate, iar galaxiile nu apăreau așa cum ar trebui. Așa că am urmat această abordare și mi-a făcut o imagine color mai naturală.”

O imagine mai bine

Acesta este motivul pentru care munca de prelucrare a imaginii necesită o notă artistică, precum și o înțelegere științifică. Sarcina unui procesor este să creeze o imagine care să reprezinte cu acuratețe datele și să fie atrăgătoare din punct de vedere vizual.

Odată ce datele de la diferite filtre au fost combinate, DePasquale lucrează la ajustarea nivelurilor de culoare ale imaginii pentru a face ceva atractiv, dar într-un mod care se bazează pe principii astronomice. Când a fost vorba de imaginea de câmp profund Webb, el a ajustat culorile pe baza utilizării unei anumite galaxii spirale ca punct de referință alb și a unei pete goale de cer ca fundal gri.

„Când avem o imagine de câmp profund sau o imagine cu o mulțime de galaxii în fundal, abordarea mea în general, este să folosim galaxiile spirale față în față ca punct de referință alb pentru întreaga imagine”, el explicat.

„Aceasta se datorează faptului că galaxiile spirale cu față în față vor afișa o întreagă populație de stele, de la cele mai tinere stele la cele mai vechi stele, reprezentând toate culorile posibile în stele”, a spus el. „Așa că trecem de la albastrul strălucitor al vedetelor tinere la stelele gălbui vechi și tot ce se află între ele. Deci, dacă îl utilizați ca punct de referință alb, vă oferă o imagine foarte bine echilibrată în ansamblu.”

Aspectul unui câmp adânc

Până acum, avem doar două observatoare capabile să creeze imagini de câmp profund: Hubble și Webb. Hubble operează în intervalul luminii vizibile, în timp ce Webb operează în infraroșu, dar ambele privesc galaxiile îndepărtate în părți slabe ale cerului. Este interesant să comparăm aspectul câmpurilor adânci din fiecare și să vedem cum diferă.

Imaginile de la Webb vor avea propriul lor aspect unic în comparație cu imaginile de la alte telescoape, cum ar fi Hubble. Acest lucru este cel mai vizibil în modul în care apar stelele strălucitoare, cu vârfurile lor distinctive de difracție în opt colțuri. Acest lucru se datorează forma oglinzii lui Webb și este inerent imaginilor capturate cu telescopul.

Dar, în general, DePasquale spune că urmărește o consistență generală între imaginile colectate de Webb și cele colectate de Hubble. La urma urmei, indiferent de modul în care sunt colectate datele, obiectele fotografiate sunt similare.

Când vine vorba de imagini de câmp profund, „acesta este ceva cu care lucrez de mulți ani”, a spus DePasquale. „Așa că am un fel de simț intuitiv al cum ar trebui să arate. Și știu că o galaxie spirală față în față ar trebui să aibă un anumit aspect, petele îndepărtate ar trebui să aibă o anumită nuanță și totul între ele ar trebui să arate natural.

O filozofie a infraroșului

O mare diferență între Webb și Hubble este că Webb este capabil să privească galaxii și mai îndepărtate decât Hubble și multe dintre aceste galaxii sunt atât de îndepărtate încât lumina lor durează foarte mult până la noi. Pe măsură ce universul se extinde în acest timp, această lumină este mutată din lungimile de undă ale luminii vizibile și în infraroșu într-un proces numit deplasare spre roșu.

Acest lucru ridică o enigma: cum ar trebui procesoarele de imagine să afișeze o galaxie care ar fi invizibilă pentru ochii noștri din cauza deplasării spre roșu, dar care ar emite lumină vizibilă dacă ar fi în fața S.U.A? Câmpul profund Webb este plin de astfel de galaxii deplasate spre roșu și chiar și clusterul principal de galaxii relativ mai apropiat din imagine este de asemenea deplasat către roșu.

„Unii oameni vor avea un argument filozofic cu privire la culorile din această imagine, deoarece clusterul de galaxii este deja la patru miliarde și jumătate de ani lumină distanță. Deci, din punct de vedere tehnic, ar trebui să fie deplasat spre roșu. Ar trebui să fie mult mai roșu decât pare”, a spus DePasquale.

Dar, în schimb, alege să prezinte datele într-un mod care atenuează deplasarea spre roșu și folosește o gamă mai largă de culori pentru a oferi mai multe informații.

„În loc să facem ca întreaga imagine să aibă o turnare roșie peste ea, să facem galaxia spirală pe care o vedem în această imagine este punctul de referință alb, astfel încât clusterul devine acum alb în loc de galben”, el a spus. „Și apoi, obțineți informații despre culoare de la orice altceva din spatele ei. Deci, galaxiile cu adevărat, foarte îndepărtate apar acum ca puncte roșii în această imagine, iar alte lucruri care sunt mai apropiate sunt mai puțin roșii.”

Povestea lui Webb

Această abordare nu numai că ajută spectatorii să vadă diversitatea galaxiilor în câmpul profund, dar evidențiază și abilitățile speciale ale lui Webb.

„Povestea cu Webb este că poate vedea galaxiile îndepărtate, îndepărtate, în timp ce Hubble ajunge într-un punct în care nu le mai poate vedea, deoarece acestea s-au deplasat la roșu în lumină infraroșie”, a spus el.

Această capacitate de a căuta aceste galaxii cu deplasare spre roșu mare este ceea ce îi va permite lui Webb să vadă unele dintre cele mai vechi galaxii care s-au format în universul foarte tânăr. Nu este că Webb este pur și simplu mai puternic decât Hubble, ci mai degrabă că se uită la diferite părți ale spectrului electromagnetic.

Acest lucru este complicat de faptul că rezoluția lui Webb se modifică în funcție de lungimea de undă pe care o privește. La lungimi de undă mai mari, imaginile sale au o rezoluție mai mică. Dar această relație dintre lungimea de undă și rezoluție nu este neapărat un lucru rău pentru lucrul cu imagini de câmp profund.

„Funcționează bine pentru imaginea de câmp profund, deoarece la cele mai lungi lungimi de undă galaxiile pe care le detectezi sunt cu adevărat cele slabe, sau cele cu adevărat prăfuite și s-ar putea să nu aibă multă structură pentru început”, DePasquale a spus. „Așadar, dacă sunt puțin mai puțin rezolvate, de fapt arată foarte natural în imagine.”

Cunoașterea științifică și libertatea creativă

Munca procesoarelor de imagine precum DePasquale este adesea prima modalitate prin care membrii publicului se implică în știința spațială, așa că este important ca aceasta să fie atât precisă, cât și atrăgătoare. Acest lucru necesită un grad de încredere între oamenii de știință care efectuează cercetările și procesatorii care prezintă acea lucrare publicului.

Dar, din experiența sa, spune el, majoritatea oamenilor de știință sunt încântați să-și vadă munca tradusă în imagini color. „În acest moment al carierei mele, am ajuns la punctul în care mi se oferă libertate de creație pentru a crea o imagine frumoasă, dar oamenii au încredere. că cunosc știința suficient de bine pentru a putea crea o imagine colorată frumoasă, care spune și o poveste științifică”, a spus DePasquale.

Reacția la primele imagini cu James Webb a fost un exemplu. Nu numai experții spațiali au fost încântați să vadă potențialul acestui nou telescop; membrii publicului din întreaga lume au fost, de asemenea, uimiți să vadă aceste noi vederi fascinante ale cosmosului.

Acesta este doar începutul a ceea ce vom vedea de la Webb, cu multe alte imagini de la telescop care vor fi partajate în următoarele luni.

DePasquale spune că reacția publicului la primele imagini este tot ceea ce a sperat. „A fost uimitor de văzut. Sunt literalmente peste tot. Au fost expuse în Times Square, din toate locurile. A fost incredibil.”

Recomandările editorilor

• James Webb observă praful străvechi care ar putea proveni din cele mai vechi supernove
• Măriți imaginea uimitoare a lui James Webb pentru a vedea o galaxie formată în urmă cu 13,4 miliarde de ani
• James Webb observă cea mai îndepărtată gaură neagră supermasivă activă descoperită vreodată
• James Webb găsește indicii despre structura pe scară largă a universului
• James Webb detectează o moleculă importantă în uimitoarea nebuloasă Orion