Ako JWST vidí neviditeľné medzihviezdne objekty

Vesmírny teleskop Jamesa Webba nedávno ohromil svet svojím prvé obrazy vesmíru, vrátane a obraz hlbokého poľa ktorý ukázal infračervený vesmír hlbšie ako kedykoľvek predtým.

Ale nemôžete len namieriť ďalekohľad na kúsok vesmíru a urobiť fotografiu. Údaje zhromaždené Webbom musia byť preložené z infračerveného do viditeľného svetla a spracované do obrazu predtým, ako môžu byť zdieľané s verejnosťou.

Spracovanie týchto údajov do nádherných obrázkov je úlohou Joea DePasqualea z Space Telescope Science Institute, ktorý bol zodpovedný za spracovanie niektorých z prvých obrázkov Jamesa Webba vrátane ikonickej hĺbky lúka. Povedal nám, čo je potrebné na to, aby tieto neuveriteľné údaje ožili.

Otočné koleso filtrov

Zhromažďovať údaje o mnohých rôznych typoch cieľov, ktoré bude James Webb pozorovať, od čiernych dier po exoplanéty, jej prístroje musia byť schopné snímať údaje pri rôznych vlnových dĺžkach v rámci infračervené. Na to sú jej nástroje vyzbrojené filtračné kolesá, čo sú kolotoče z rôznych materiálov, z ktorých každý prepúšťa rôzne vlnové dĺžky svetla.

Vedci si vyberú, aké prístroje a aké vlnové dĺžky chcú použiť na svoje pozorovania, a filtrové kolesá sa otáčajú, aby umiestnili zodpovedajúci prvok pred senzory prístroja. Zatiaľ čo zavádzanie pohyblivých častí do takejto komplexnej technológie je vždy rizikom, inžinieri sú v práci s týmto druhom hardvéru, pretože podobné filtračné kolesá sa používajú v iných vesmírnych teleskopoch, ako je Hubbleov vesmírny teleskop a röntgenové observatórium Chandra.

"Je neuveriteľné, že tieto kozmické lode majú v sebe tieto pohyblivé časti, ktoré fungujú roky a sú pripravené na let a sú odolné voči žiareniu," povedal DePasquale.

Keď Webb spozoruje cieľ, najprv sa pozrie pomocou jedného filtra, potom druhého a v prípade potreby ďalších. Pre prvý Webbov obrázok s hlbokým poľom nabral údaje pomocou šiestich filtrov, z ktorých každý vytvára čiernobiely obrázok. Každý filter sa použil na dvojhodinovú expozíciu, čo predstavuje celkovo 12 hodín pozorovacieho času.

Po zhromaždení sa údaje odošlú tímom prístrojov na predbežné spracovanie; potom sa doručí spoločnosti DePasquale. "Dostanete šesť jednotlivých obrázkov, z ktorých každý zodpovedá filtru, ktorým bol nasnímaný," povedal. Jeho úlohou je premeniť týchto šesť čiernobielych obrázkov na jeden z úžasných obrázkov vesmíru, ktorý tak radi obdivujeme.

Kombináciou čiernej a bielej farby

DePasquale dostane rôzny počet obrázkov v závislosti od toho, koľko filtrov si výskumníci vybrali, a potom ich spojí do jedného obrázka. Mapovaním údajov z týchto filtrov na farebné kanály vytvorí farebný obraz. Na túto prácu použije kombináciu univerzálneho softvéru na úpravu grafiky, ako je Adobe Photoshop a špeciálny astronomický softvér ako PixInsight, ktorý bol pôvodne vyvinutý pre amatérsku astrofotografiu.

Filtre môžu byť mapované na kanály všetkými možnými spôsobmi, ale zvyčajne DePasquale hovorí, že bude mapovať na červené, zelené a modré kanály alebo RGB, ktoré sa bežne používajú pre digitálne obrázky.

„Kombinovanie vecí v RGB zvyčajne vytvára najprirodzenejší obraz, pretože je to spôsobené povahou našich očí a tým, ako vnímajú svetlo,“ povedal. „V našich očiach máme kužeľové bunky, ktoré reagujú na červené, zelené a modré svetlo. Takže naše oči sú už pripravené interpretovať svet týmto spôsobom.“

Na snímke hlbokého poľa vzal šesť filtrov – F090W, F150W, F200W, F277W, F356W a F444W, ktoré sú pomenované podľa vlnovej dĺžky, pri ktorej pozorujú – a spojil dva filtre s najkratšou vlnovou dĺžkou do modrej, dva filtre so strednou vlnovou dĺžkou do zelenej a dva filtre s najdlhšou vlnovou dĺžkou do zelenej. Tieto sa potom kombinujú pomocou režimu prelínania obrazovky v programe Adobe Photoshop, ktorý spája vrstvy a vytvára farebný obrázok.

V iných obrázkoch, ako je napríklad Webb obrázok Hmlovina Carina, ktorý spracovala DePasqualova kolegyňa Alyssa Pagan, každému zo šiestich rôznych filtrov bola priradená vlastná farba, aby bolo možné vybrať všetky rôzne črty hmloviny. Ale to nefungovalo tak dobre pre hlboké pole.

"Snažil som sa dať každému filtru jeho vlastnú jedinečnú farbu," povedal DePasquale. „To môže vytvoriť pekný obraz, ale v prípade hlbokého poľa to naozaj nefungovalo dobre. Vytváralo to nejaké zvláštne farebné artefakty a galaxie sa nezobrazovali tak, ako by mali. Preto som zvolil tento prístup a vďaka tomu som získal prirodzenejší farebný obraz.“

Lepšie vyzerajúci obraz

To je dôvod, prečo si práca pri spracovaní obrazu vyžaduje umelecký prístup, ako aj vedecké porozumenie. Úlohou procesora je vytvoriť obraz, ktorý presne zobrazuje údaje a zároveň je vizuálne príťažlivý.

Po skombinovaní údajov z rôznych filtrov DePasquale pracuje na úprave úrovní farieb obrazu, aby bolo niečo atraktívne, ale spôsobom, ktorý je založený na astronomických princípoch. Pokiaľ ide o snímku hlbokého poľa Webb, upravil farby na základe použitia konkrétnej špirálovej galaxie ako bieleho referenčného bodu a prázdnej plochy oblohy ako sivého pozadia.

„Keď máme snímku hlbokého poľa alebo snímku s množstvom galaxií v pozadí, môj prístup vo všeobecnosti je použiť ako biely referenčný bod pre celý obrázok čelné špirálové galaxie,“ povedal vysvetlil.

"Je to preto, že čelné špirálové galaxie budú zobrazovať celú populáciu hviezd, od najmladších hviezd po najstaršie hviezdy, reprezentujúce všetky farby, ktoré sú možné v rámci hviezd," povedal. „Takže ideme od jasného blues mladých hviezd k starým žltkastým hviezdam a všetkému medzi tým. Takže ak to použijete ako biely referenčný bod, získate celkovo naozaj pekne vyvážený obraz.“

Vzhľad hlbokého poľa

Zatiaľ máme len dve observatóriá schopné vytvárať snímky hlbokého poľa: Hubbleov a Webb. Hubbleov teleskop pracuje v oblasti viditeľného svetla, zatiaľ čo Webb pracuje v infračervenom svetle, ale obaja snímajú vzdialené galaxie v tmavých častiach oblohy. Je zaujímavé porovnať vzhľad hlbokých polí z každého a zistiť, ako sa líšia.

Snímky z Webba budú mať svoj vlastný jedinečný vzhľad v porovnaní s obrázkami z iných teleskopov, ako je Hubbleov teleskop. Toto je najpozoruhodnejšie v spôsobe, akým sa objavujú jasné hviezdy s ich výraznými osembodovými difrakčnými hrotmi. Je to spôsobené tým tvar Webbovho zrkadla a je neoddeliteľnou súčasťou snímok zachytených pomocou ďalekohľadu.

Celkovo však DePasquale hovorí, že sa zameriava na všeobecnú konzistenciu medzi obrázkami zhromaždenými Webbom a obrázkami zhromaždenými Hubbleom. Koniec koncov, bez ohľadu na to, ako sa údaje zhromažďujú, objekty, ktoré sa zobrazujú, sú podobné.

Pokiaľ ide o snímky hlbokého poľa, „to je niečo, s čím som pracoval mnoho rokov,“ povedal DePasquale. "Takže mám intuitívny pocit, ako by to malo vyzerať." A viem, že špirálová galaxia otočená tvárou by mala mať určitý vzhľad, vzdialené šmuhy by mali mať určitý odtieň a všetko medzi tým by malo vyzerať prirodzene.“

Filozofia infračerveného žiarenia

Jeden veľký rozdiel medzi Webbom a Hubbleom je v tom, že Webb je schopný pozerať sa na ešte vzdialenejšie galaxie než Hubble a mnohé z týchto galaxií sú tak ďaleko, že ich svetlu trvá veľmi dlho, kým sa k nám dostanú. Keď sa vesmír počas tejto doby rozpína, toto svetlo sa posunie z vlnových dĺžok viditeľného svetla do infračerveného v procese nazývanom červený posun.

To prináša rébus: Ako by mali obrazové procesory zobrazovať galaxiu, ktorá by bola neviditeľná pre naše oči kvôli červenému posunu, ale ktorý by vydával viditeľné svetlo, keby bol pred ním nás? Hlboké pole Webba je plné takýchto galaxií s červeným posunom a dokonca aj relatívne bližšia hlavná kopa galaxií na obrázku má tiež červený posun.

„Niektorí ľudia budú mať filozofický argument o farbách na tomto obrázku, pretože kopa galaxií je už od nás vzdialená štyri a pol miliardy svetelných rokov. Technicky by to teda malo byť červené. Toto by malo byť oveľa viac červené, ako to vyzerá,“ povedal DePasquale.

Namiesto toho sa však rozhodol prezentovať údaje spôsobom, ktorý zmierňuje červený posun a používa širšiu škálu farieb na poskytnutie ďalších informácií.

„Namiesto toho, aby mal celý obrázok červený nádych, urobme špirálovú galaxiu, ktorú vidíme v tento obrázok je biely referenčný bod, takže zhluk sa teraz stane bielym namiesto žltej,“ povedal povedal. „A potom získate informácie o farbách zo všetkého ostatného, ​​čo je za tým. Takže naozaj, naozaj vzdialené galaxie sa teraz na tomto obrázku zobrazujú ako červené body a ostatné veci, ktoré sú bližšie, sú menej červené."

Príbeh Webba

Tento prístup nielen pomáha divákom vidieť rozmanitosť galaxií v hlbokom poli, ale tiež zdôrazňuje konkrétne schopnosti Webba.

„Príbeh s Webbom je taký, že dokáže vidieť vzdialené, vzdialené galaxie, zatiaľ čo Hubble sa dostane do bodu, v ktorom ich už nevidí, pretože sa zmenili na infračervené svetlo,“ povedal.

Táto schopnosť hľadať tieto galaxie s vysokým červeným posunom umožní Webbovi vidieť niektoré z najstarších galaxií, ktoré sa vytvorili vo veľmi mladom vesmíre. Nie je to tak, že Webb je jednoducho výkonnejší ako Hubble, ale skôr to, že sa pozerajú na rôzne časti elektromagnetického spektra.

Je to komplikované skutočnosťou, že Webbovo rozlíšenie sa mení na základe vlnovej dĺžky, na ktorú sa pozerá. Pri dlhších vlnových dĺžkach majú jeho obrazy nižšie rozlíšenie. Ale tento vzťah medzi vlnovou dĺžkou a rozlíšením nie je nevyhnutne zlá vec pre prácu s obrázkami s hlbokým poľom.

"Funguje to dobre pre snímky hlbokého poľa, pretože na najdlhších vlnových dĺžkach sú galaxie, ktoré detegujete naozaj tie slabé, alebo tie naozaj zaprášené a na začiatok nemusia mať veľa štruktúry,“ DePasquale povedal. "Takže ak sú trochu menej vyriešené, v skutočnosti to na obrázku vyzerá veľmi prirodzene."

Vedecké poznatky a tvorivá sloboda

Práca obrazových procesorov, ako je DePasquale, je často prvým spôsobom, ako sa verejnosť zapája do vesmírnej vedy, takže je dôležité, aby bola presná aj príťažlivá. To si vyžaduje určitý stupeň dôvery medzi vedcami vykonávajúcimi výskum a spracovateľmi, ktorí túto prácu prezentujú verejnosti.

Podľa jeho skúseností však väčšina vedcov s potešením vidí ich prácu prevedenú do farebných obrázkov. „V tomto bode svojej kariéry som sa dostal do bodu, keď som dostal kreatívnu slobodu na vytvorenie krásneho obrazu, ale ľudia mi veria že poznám vedu dostatočne dobre na to, aby som dokázal vytvoriť krásny farebný obraz, ktorý zároveň rozpráva vedecký príbeh,“ povedal DePasquale.

Reakcia na prvé obrázky Jamesa Webba bola názorným príkladom. Nielen vesmírni experti boli nadšení, keď videli potenciál tohto nového teleskopu; členovia verejnosti z celého sveta boli tiež ohromení, keď videli tieto fascinujúce nové pohľady na vesmír.

Toto je len začiatok toho, čo uvidíme od Webba, s množstvom ďalších obrázkov z ďalekohľadu, ktoré budeme zdieľať v nadchádzajúcich mesiacoch.

DePasquale hovorí, že reakcia verejnosti na prvé obrázky je všetko, v čo dúfal. „Bolo úžasné to vidieť. Sú doslova všade. Boli vystavené na Times Square na všetkých miestach. Bolo to neuveriteľné."

Odporúčania redaktorov

• James Webb si všimol staroveký prach, ktorý by mohol pochádzať z najstarších supernov
• Priblížte si ohromujúci obrázok Jamesa Webba a uvidíte galaxiu sformovanú pred 13,4 miliardami rokov
• James Webb spozoroval najvzdialenejšiu aktívnu supermasívnu čiernu dieru, aká bola kedy objavená
• James Webb nájde stopy k rozsiahlej štruktúre vesmíru
• James Webb deteguje dôležitú molekulu v úžasnej hmlovine Orion