Kako JWST vidi nevidne medzvezdne objekte

Vesoljski teleskop James Webb je nedavno osupnil svet s svojim prve slike vesolja, vključno z a slika globokega polja ki je infrardeče vesolje prikazal bolj poglobljeno kot kdaj koli prej.

Vendar ne morete samo usmeriti teleskopa v delček vesolja in narediti fotografijo. Podatke, ki jih je zbral Webb, je treba prevesti iz infrardeče in vidne svetlobe ter predelati v sliko, preden jih je mogoče deliti z javnostjo.

Obdelava teh podatkov v čudovite slike je naloga Joeja DePasquala iz Space Telescope Science Institute, ki je bil odgovoren za obdelavo nekaterih prvih slik Jamesa Webba, vključno z ikonično globino polje. Povedal nam je, kaj je potrebno, da ti neverjetni podatki oživijo.

Vrtljivo kolo filtrov

Za zbiranje podatkov o številnih različnih vrstah ciljev, ki jih bo opazoval James Webb, od črnih lukenj do eksoplanetov, morajo imeti njegovi instrumenti možnost odčitavanja na različnih valovnih dolžinah znotraj infrardeči. Za to so njegovi instrumenti oboroženi z filtrska kolesa, ki so vrtiljaki iz različnih materialov, ki prepuščajo različne valovne dolžine svetlobe.

Znanstveniki izberejo, katere instrumente in kakšne valovne dolžine želijo uporabiti za svoja opazovanja, filtrska kolesa pa se vrtijo, da postavijo ustrezen element pred senzorje instrumenta. Medtem ko je uvedba gibljivih delov v tako zapleten kos tehnologije vedno tveganje, so inženirji dobro izvajeni pri delu s to vrsto strojne opreme, saj se podobna filtrirna kolesa uporabljajo v drugih vesoljskih teleskopih, kot sta vesoljski teleskop Hubble in rentgenski observatorij Chandra.

"Neverjetno je, da imajo ta vesoljska plovila v sebi te gibljive dele, ki še leta delujejo in so pripravljeni na let ter odporni na sevanje," je dejal DePasquale.

Ko Webb opazuje tarčo, bo najprej pogledal z enim filtrom, nato z drugim in nato z več, če je potrebno. Za Webbovo prvo sliko globokega polja je vzel podatke s šestimi filtri, od katerih vsak ustvari črno-belo sliko. Vsak filter je bil uporabljen za dve uri izpostavljenosti, kar je skupaj pomenilo 12 ur opazovanja.

Ko so podatki zbrani, se pošljejo skupinam instrumentov v predhodno obdelavo; nato je dostavljeno podjetju DePasquale. "Dobite šest posameznih slik, od katerih vsaka ustreza filtru, s katerim je bila posneta," je dejal. Njegova naloga je teh šest črno-belih slik spremeniti v eno od osupljivih podob vesolja, ki jih radi občudujemo.

Kombinacija črne in bele za ustvarjanje barve

DePasquale bo prejel različno število slik, odvisno od tega, koliko filtrov so izbrali raziskovalci, nato pa jih bo združil v eno samo sliko. S preslikavo podatkov iz teh filtrov na barvne kanale ustvari barvno sliko. Za to delo bo uporabil kombinacijo splošne programske opreme za urejanje grafike, kot sta Adobe Photoshop in posebna astronomska programska oprema, kot je PixInsight, ki je bila prvotno razvita za amatersko astrofotografijo.

Filtre je mogoče na različne načine preslikati na kanale, običajno pa DePasquale pravi, da bo preslikal na rdeče, zelene in modre kanale ali RGB, ki se običajno uporabljajo za digitalne slike.

"Združevanje stvari v RGB običajno ustvari najbolj naravno sliko, saj je to posledica narave naših oči in tega, kako zaznavajo svetlobo," je dejal. »V očeh imamo stožčaste celice, ki se odzivajo na rdečo, zeleno in modro svetlobo. Torej so naše oči že pripravljene na takšno razlago sveta.«

Na sliki globokega polja je posnel šest filtrov - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W in F444W, ki so poimenovani po valovni dolžini, pri kateri opazujejo - in združil dva filtra najkrajše valovne dolžine v modro, dva filtra srednje valovne dolžine v zeleno in dva filtra najdaljše valovne dolžine v zeleno. Ti se nato združijo z načinom mešanja zaslona v Adobe Photoshopu, ki doda plasti skupaj, da ustvari barvno sliko.

Na drugih slikah, kot je Webbova slika Meglica Carina, ki ga je obdelala DePasqualova kolegica Alyssa Pagan, je bil vsakemu od šestih različnih filtrov dodeljena lastna barva, da bi izbrali vse različne značilnosti meglice. Toda to ni delovalo tako dobro za globoko polje.

"Vsakemu filtru sem poskušal dati svojo edinstveno barvo," je dejal DePasquale. »To lahko ustvari lepo sliko, vendar v primeru globokega polja res ni delovalo dobro. Ustvarjal je nekaj nenavadnih barvnih artefaktov in galaksije se niso prikazale, kot bi morale. Zato sem se odločil za ta pristop in naredil sem barvno sliko bolj naravnega videza.«

Lepša slika

Zato obdelava slik zahteva tako umetniški pridih kot tudi znanstveno razumevanje. Naloga procesorja je ustvariti sliko, ki natančno predstavlja podatke in je vizualno privlačna.

Ko so podatki iz različnih filtrov združeni, DePasquale dela na prilagajanju barvnih ravni slike, da naredi nekaj privlačnega, vendar na način, ki temelji na astronomskih načelih. Ko je šlo za Webbovo sliko globokega polja, je prilagodil barve na podlagi uporabe določene spiralne galaksije kot bele referenčne točke in praznega dela neba kot sivega ozadja.

»Ko imamo sliko globokega polja ali sliko z veliko galaksijami v ozadju, moj pristop na splošno je uporaba obrnjenih spiralnih galaksij kot bele referenčne točke za celotno sliko,« je dejal pojasnil.

"To je zato, ker bodo obrnjene spiralne galaksije prikazale celotno populacijo zvezd, od najmlajših zvezd do najstarejših zvezd, ki predstavljajo vse barve, ki so možne znotraj zvezd," je dejal. »Tako gremo od svetle modrine mladih zvezd do staro rumenkastih zvezd in vsega vmes. Torej, če to uporabite kot svojo belo referenčno točko, boste dobili res lepo uravnoteženo sliko na splošno.«

Pogled globokega polja

Zaenkrat imamo samo dva observatorija, ki lahko ustvarita slike globokega polja: Hubble in Webb. Hubble deluje v območju vidne svetlobe, Webb pa v infrardečem, vendar oba zajemata poglede na oddaljene galaksije v temnih delih neba. Zanimivo je primerjati videz globokih polj od vsakega in videti, kako se razlikujejo.

Slike iz Webba bodo imele svoj edinstven videz v primerjavi s slikami iz drugih teleskopov, kot je Hubble. To je najbolj opazno v tem, kako se pojavijo svetle zvezde s svojimi značilnimi osemkrakimi uklonskimi konicami. To je posledica obliko Webbovega ogledala in je del slik, posnetih s teleskopom.

Toda na splošno DePasquale pravi, da si prizadeva za splošno skladnost med slikami, ki jih je zbral Webb, in tistimi, ki jih je zbral Hubble. Konec koncev, ne glede na to, kako so podatki zbrani, so predmeti, ki jih slikamo, podobni.

Ko gre za slike globokega polja, "je to nekaj, s čimer delam že vrsto let," je dejal DePasquale. »Torej imam nekako intuitiven občutek, kako bi moralo izgledati. In vem, da mora imeti spiralna galaksija, ki je na obrazu, določen videz, oddaljeni madeži morajo imeti določen odtenek in vse vmes mora biti videti naravno.«

Filozofija infrardečega sevanja

Ena velika razlika med Webbom in Hubblom je ta, da je Webb sposoben gledati tudi bolj oddaljene galaksije kot Hubble in mnoge od teh galaksij so tako daleč, da njihova svetloba potrebuje zelo dolgo časa, da nas doseže. Ko se vesolje v tem času širi, se ta svetloba premakne iz valovnih dolžin vidne svetlobe v infrardečo v procesu, imenovanem rdeči premik.

To pripelje do uganke: kako naj slikovni procesorji prikažejo galaksijo, ki bi bila nevidna našim očem zaradi rdečega premika, ki pa bi oddajala vidno svetlobo, če bi bila pred njo mi? Globoko polje Webb je polno takih rdeče premaknjenih galaksij in tudi relativno bližja glavna jata galaksij na sliki je prav tako rdeče premaknjena.

»Nekateri ljudje bodo imeli filozofski argument o barvah na tej sliki, saj je jata galaksij oddaljena že štiri in pol milijarde svetlobnih let. Torej bi ga tehnično morali premakniti v rdečo barvo. To bi moralo biti veliko bolj rdeče, kot je videti,« je dejal DePasquale.

Toda namesto tega se odloči predstaviti podatke na način, ki ublaži rdeči premik in uporabi širši razpon barv, da zagotovi več informacij.

»Namesto da ima celotna slika rdeč odtenek, naredimo spiralno galaksijo, ki jo vidimo v ta slika je bela referenčna točka, tako da grozd zdaj postane bel namesto rumen,« je dejal rekel. »In potem dobite barvne informacije iz vsega drugega, kar je za tem. Res, zelo oddaljene galaksije so zdaj na tej sliki prikazane kot rdeče točke, druge stvari, ki so bližje, pa so manj rdeče.«

Zgodba o Webbu

Ta pristop ne le pomaga gledalcem videti raznolikost galaksij v globokem polju, ampak tudi poudarja posebne sposobnosti Webba.

"Zgodba z Webbom je, da lahko vidi oddaljene, oddaljene galaksije, medtem ko Hubble pride do točke, ko jih ne more več videti, ker so se rdeče premaknile v infrardečo svetlobo," je dejal.

Ta zmožnost iskanja teh galaksij z velikim rdečim premikom je tisto, kar bo Webbu omogočilo, da vidi nekatere najzgodnejše galaksije, ki so nastale v zelo mladem vesolju. Ne gre za to, da je Webb preprosto močnejši od Hubbla, temveč za to, da gledajo na različne dele elektromagnetnega spektra.

To je zapleteno zaradi dejstva, da se Webbova ločljivost spreminja glede na valovno dolžino, ki jo gleda. Pri daljših valovnih dolžinah imajo njegove slike nižjo ločljivost. Vendar to razmerje med valovno dolžino in ločljivostjo ni nujno slabo za delo s slikami globokega polja.

»Dobro deluje za sliko globokega polja, ker so galaksije, ki jih zaznavate, na najdaljših valovnih dolžinah res šibke ali zelo prašne in morda na začetku nimajo veliko strukture,« DePasquale rekel. "Torej, če so malo manj razrešeni, je na sliki dejansko videti zelo naravno."

Znanstveno znanje in ustvarjalna svoboda

Delo slikovnih procesorjev, kot je DePasquale, je pogosto prvi način, na katerega se javnost ukvarja z vesoljsko znanostjo, zato je pomembno, da je natančno in privlačno. To zahteva določeno stopnjo zaupanja med znanstveniki, ki izvajajo raziskavo, in predelovalci, ki to delo predstavljajo javnosti.

Toda po njegovih izkušnjah pravi, da je večina znanstvenikov navdušena, ko vidijo svoje delo prevedeno v barvne slike. »Na tej točki svoje kariere sem prišel do točke, ko mi je dana ustvarjalna svoboda, da ustvarim čudovito podobo, vendar ljudje zaupajo da poznam znanost dovolj dobro, da lahko ustvarim čudovito barvno sliko, ki pripoveduje tudi znanstveno zgodbo,« je dejal DePasquale.

Primer tega je bil odziv na prve slike Jamesa Webba. Ne le vesoljski strokovnjaki so bili navdušeni nad potencialom tega novega teleskopa; tudi člani javnosti z vsega sveta so bili presenečeni nad temi očarljivimi novimi pogledi na vesolje.

To je šele začetek tega, kar bomo videli od Webba, z veliko več slikami iz teleskopa, ki jih bomo delili v prihodnjih mesecih.

DePasquale pravi, da je odziv javnosti na prve slike vse, kar je upal. »Bilo je čudovito videti. So dobesedno povsod. Razstavljeni so bili na Times Squareu, na vseh mestih. Bilo je neverjetno.”

Priporočila urednikov

• James Webb odkrije starodavni prah, ki bi lahko izviral iz najzgodnejših supernov
• Povečajte osupljivo sliko Jamesa Webba in si oglejte galaksijo, ki je nastala pred 13,4 milijarde let
• James Webb opazi najbolj oddaljeno aktivno supermasivno črno luknjo, kar so jih kdaj odkrili
• James Webb najde namige o obsežni strukturi vesolja
• James Webb odkrije pomembno molekulo v osupljivi Orionovi meglici