Как JWST видит невидимые межзвездные объекты

Космический телескоп Джеймса Уэбба недавно ошеломил мир своим первые снимки космоса, включая изображение в глубоком поле это показало инфракрасную вселенную на большей глубине, чем когда-либо прежде.

Но вы не можете просто направить телескоп на участок космоса и сделать снимок. Данные, собранные Уэббом, должны быть переведены из инфракрасного диапазона в видимый свет и обработаны в изображение, прежде чем его можно будет опубликовать среди общественности.

Обработка этих данных в красивые изображения — работа Джо Депаскуале из космического телескопа Science. Институт, который отвечал за обработку некоторых из первых изображений Джеймса Уэбба, включая культовую глубокую поле. Он рассказал нам, что нужно, чтобы воплотить в жизнь эти невероятные данные.

Вращающееся колесо фильтров

Собрать данные о множестве различных типов целей, которые будет наблюдать Джеймс Уэбб, от черных дыр до экзопланет, его инструменты должны иметь возможность снимать показания на разных длинах волн в пределах инфракрасный. Для этого его инструменты вооружены фильтрующие колеса, которые представляют собой карусели из разных материалов, каждый из которых пропускает свет разной длины.

Ученые выбирают, какие инструменты и длины волн они хотят использовать для своих наблюдений, а колеса фильтров вращаются, чтобы поместить соответствующий элемент перед датчиками инструмента. Хотя внедрение движущихся частей в такую ​​сложную технологию всегда сопряжено с риском, инженеры имеют хороший опыт работы с такого рода деталями. к настоящему времени, поскольку аналогичные колеса фильтров используются в других космических телескопах, таких как космический телескоп Хаббл и рентгеновская обсерватория Чандра.

«Невероятно, что в этих космических кораблях есть движущиеся части, которые продолжают функционировать годами, готовы к полету и устойчивы к радиации», — сказал ДеПаскуале.

Когда Уэбб наблюдает за целью, она сначала использует один фильтр, затем другой, а затем еще, если необходимо. Для первого изображения с глубоким полем зрения Уэбб использовал шесть фильтров, каждый из которых создает черно-белое изображение. Каждый фильтр использовался в течение двух часов, что в сумме составило 12 часов времени наблюдения.

После сбора данных они отправляются группам приборов для предварительной обработки; затем его доставляют Депаскуале. «Вы получаете шесть отдельных изображений, каждое из которых соответствует фильтру, с помощью которого оно было снято», — сказал он. Его задача — превратить эти шесть черно-белых изображений в одно из потрясающих изображений космоса, которыми мы любим восхищаться.

Сочетание черного и белого для получения цвета

ДеПаскуале получит разное количество изображений в зависимости от того, сколько фильтров выбрали исследователи, а затем объединит их в одно изображение. Сопоставляя данные этих фильтров с цветовыми каналами, он создает цветное изображение. Для этой работы он будет использовать комбинацию программного обеспечения для редактирования графики общего назначения, такого как Adobe Photoshop и специальное астрономическое программное обеспечение, такое как PixInsight, которое изначально было разработано для любительской астрофотографии.

Фильтры можно назначать на каналы разными способами, но обычно, по словам ДеПаскуале, он сопоставляет их с красным, зеленым и синим каналами или RGB, которые обычно используются для цифровых изображений.

«Объединение объектов в RGB обычно создает наиболее естественное изображение, поскольку это связано с природой наших глаз и тем, как они воспринимают свет», — сказал он. «В наших глазах есть колбочки, которые реагируют на красный, зеленый и синий свет. Так что наши глаза уже готовы интерпретировать мир таким образом».

Для изображения глубокого поля он использовал шесть фильтров — F090W, F150W, F200W, F277W, F356W и F444W, названных в честь длины волны, на которой они наблюдают. и объединил два фильтра с самой короткой длиной волны в синий цвет, два фильтра средней длины волны в зеленый цвет и два фильтра с самой длинной волной в зеленый цвет. Затем они объединяются с использованием режима наложения экрана в Adobe Photoshop, который объединяет слои для создания цветного изображения.

На других изображениях, таких как изображение Уэбба Туманность Киля, который был обработан коллегой ДеПаскуале Алиссой Пэган, каждому из шести различных фильтров был присвоен свой собственный цвет, чтобы выделить все различные особенности туманности. Но для глубокого поля это не очень хорошо сработало.

«Я попробовал придать каждому фильтру свой уникальный цвет», — сказал ДеПаскуале. «Это может создать красивое изображение, но в случае с глубоким резкостью это действительно работает не очень хорошо. Это создавало какие-то странные цветовые артефакты, и галактики выглядели не так, как должны. Поэтому я выбрал этот подход, и он сделал цветное изображение более естественным для меня».

Более красивое изображение

Вот почему работа по обработке изображений требует как художественного подхода, так и научного понимания. Задача процессора — создать изображение, которое точно представляет данные и является визуально привлекательным.

После объединения данных из разных фильтров ДеПаскуале работает над регулировкой уровней цвета изображения, чтобы сделать его привлекательным, но таким образом, который основан на астрономических принципах. Когда дело дошло до изображения глубокого поля Уэбба, он скорректировал цвета, используя конкретную спиральную галактику в качестве белой контрольной точки и пустой участок неба в качестве серого фона.

«Когда у нас есть изображение с глубоким полем зрения или изображение с множеством галактик на заднем плане, мой подход обычно заключается в использовании обращенных лицом к лицу спиральных галактик в качестве белой контрольной точки для всего изображения», — он объяснил.

«Это потому, что спиральные галактики, обращенные лицом к лицу, будут отображать всю популяцию звезд, от самых молодых звезд до самых старых звезд, представляющих все цвета, которые возможны внутри звезд», — сказал он. «Итак, мы переходим от ярко-голубого цвета молодых звезд к старым желтоватым звездам и всему, что между ними. Так что, если вы используете его в качестве ориентира для белого, в целом вы получите действительно хорошо сбалансированное изображение».

Вид глубокого поля

Пока у нас есть только две обсерватории, способные создавать изображения глубокого поля: Хаббл и Уэбб. Хаббл работает в видимом диапазоне света, а Уэбб — в инфракрасном, но оба снимают далекие галактики в темных частях неба. Интересно сравнить внешний вид глубоких полей каждого и посмотреть, чем они отличаются.

Изображения Уэбба будут иметь свой уникальный вид по сравнению с изображениями других телескопов, таких как Хаббл. Это наиболее заметно по тому, как выглядят яркие звезды с их характерными восьмиконечными дифракционными шипами. Это связано с форма зеркала Уэбба и присущ изображениям, снятым с помощью телескопа.

Но в целом, по словам ДеПаскуале, он стремится к общей согласованности между изображениями, собранными Уэббом, и изображениями, собранными Хабблом. Ведь независимо от того, как собираются данные, отображаемые объекты одинаковы.

Когда дело доходит до изображений с глубоким полем зрения, «это то, над чем я работаю много лет», — сказал ДеПаскуале. «Поэтому у меня есть интуитивное представление о том, как это должно выглядеть. И я знаю, что спиральная галактика, обращенная лицом к лицу, должна иметь определенный вид, отдаленные пятна должны иметь определенный оттенок, а все, что между ними, должно выглядеть естественно».

Философия инфракрасного излучения

Одна большая разница между Уэббом и Хабблом заключается в том, что Уэбб способен наблюдать даже более далекие галактики. чем Хаббл, и многие из этих галактик находятся так далеко, что их свету требуется очень много времени, чтобы достичь нас. Поскольку в это время Вселенная расширяется, этот свет смещается из видимого диапазона волн в инфракрасный в процессе, называемом красным смещением.

Возникает загадка: как процессоры изображений должны отображать невидимую галактику? нашим глазам из-за красного смещения, но который излучал бы видимый свет, если бы находился перед нас? Глубокое поле Уэбба полно таких галактик с красным смещением, и даже относительно близкое главное скопление галактик на изображении также имеет красное смещение.

«У некоторых людей возникнут философские споры по поводу цветов на этом изображении, потому что скопление галактик уже находится на расстоянии четырех с половиной миллиардов световых лет. Так что технически оно должно иметь красное смещение. Это должно быть намного более красным, чем кажется», — сказал ДеПаскуале.

Но вместо этого он предпочитает представлять данные таким образом, чтобы уменьшить красное смещение и использовать более широкий диапазон цветов, чтобы предоставить больше информации.

«Вместо того, чтобы все изображение было окрашено в красный цвет, давайте сделаем спиральную галактику, которую мы видим на снимке. это изображение — белая контрольная точка, так что кластер теперь становится белым, а не желтым», — он сказал. «И затем вы получаете информацию о цвете из всего остального, что стоит за ней. Таким образом, очень-очень далекие галактики теперь отображаются на этом изображении как красные точки, а другие объекты, расположенные ближе, менее красные».

История Уэбба

Такой подход не только помогает зрителям увидеть разнообразие галактик в глубоком поле, но и подчеркивает особые способности Уэбба.

«История с Уэббом заключается в том, что он может видеть далекие-далекие галактики, тогда как Хаббл доходит до того, что больше не может их видеть, потому что они сместились в инфракрасный свет», — сказал он.

Эта способность искать галактики с высоким красным смещением позволит Уэббу увидеть некоторые из самых ранних галактик, сформировавшихся в очень молодой Вселенной. Дело не в том, что Уэбб просто мощнее Хаббла, а скорее в том, что они смотрят на разные части электромагнитного спектра.

Это осложняется тем фактом, что разрешение Уэбба меняется в зависимости от длины волны, на которую он смотрит. На более длинных волнах его изображения имеют более низкое разрешение. Но эта связь между длиной волны и разрешением не обязательно плоха для работы с изображениями в глубоком поле.

«Это хорошо работает для изображений в глубоком поле, потому что на самых длинных волнах галактики, которые вы обнаруживаете, на самом деле они слабые или очень пыльные, и у них изначально может быть не очень структура», — ДеПаскуале. сказал. «Поэтому, если они немного менее четкие, на изображении это выглядит очень естественно».

Научные знания и творческая свобода

Работа таких специалистов по обработке изображений, как ДеПаскуале, часто является первым способом взаимодействия представителей общественности с космической наукой, поэтому важно, чтобы она была одновременно точной и привлекательной. Это требует определенной степени доверия между учеными, проводящими исследования, и специалистами, которые представляют результаты своей работы публике.

Но, по его опыту, говорит он, большинство ученых рады видеть свою работу, переведенную в цветные изображения. «На этом этапе моей карьеры я дошел до того, что мне предоставлена ​​творческая свобода для создания красивого образа, но люди доверяют что я достаточно хорошо знаю науку, чтобы создать красивое цветное изображение, которое также расскажет научную историю», — сказал ДеПаскуале.

Реакция на первые изображения Джеймса Уэбба была показательным примером. Не только космические эксперты были рады увидеть потенциал этого нового телескопа; представители общественности со всего мира также были поражены, увидев эти захватывающие новые виды космоса.

Это только начало того, что мы увидим от Уэбба, и в ближайшие месяцы будет опубликовано еще много изображений с телескопа.

ДеПаскуале говорит, что реакция общественности на первые изображения — это все, на что он надеялся. «Было удивительно видеть. Они буквально повсюду. Их выставляли на Таймс-сквер, а не где-либо еще. Это было невероятно».

Рекомендации редакции

• Джеймс Уэбб обнаружил древнюю пыль, которая могла быть результатом самых ранних сверхновых
• Увеличьте потрясающее изображение Джеймса Уэбба, чтобы увидеть галактику, образовавшуюся 13,4 миллиарда лет назад.
• Джеймс Уэбб обнаружил самую далекую активную сверхмассивную черную дыру, когда-либо обнаруженную
• Джеймс Уэбб нашел ключ к разгадке крупномасштабной структуры Вселенной
• Джеймс Уэбб обнаружил важную молекулу в потрясающей туманности Ориона