Hur JWST ser osynliga interstellära objekt

Rymdteleskopet James Webb häpnade nyligen världen med sitt första bilder av rymden, inklusive en djupfältsbild som visade det infraröda universum mer djupgående än någonsin tidigare.

Men du kan inte bara rikta ett teleskop mot ett utrymme och ta ett foto. Data som samlas in av Webb måste översättas från infraröd och till synligt ljus och bearbetas till en bild innan den kan delas med allmänheten.

Att bearbeta dessa data till vackra bilder är Joe DePasquales uppgift från Space Telescope Science Institutet, som var ansvarig för att bearbeta några av de första James Webb-bilderna inklusive det ikoniska djupet fält. Han berättade för oss vad som krävs för att få den här otroliga informationen till liv.

Ett roterande hjul av filter

Att samla in data om de många olika typer av mål som James Webb kommer att observera, från svarta hål till exoplaneter måste dess instrument kunna ta avläsningar vid olika våglängder inom infraröd. För att göra det är dess instrument beväpnade med filterhjul, som är karuseller av olika material som var och en tillåter olika våglängder av ljus att passera igenom.

Forskare väljer vilka instrument och vilka våglängder de vill använda för sina observationer, och filterhjulen roterar för att placera motsvarande element framför instrumentets sensorer. Även om det alltid är en risk att införa rörliga delar i en så komplex teknik, är ingenjörer väl vana i att arbeta med den här typen av hårdvara vid det här laget, eftersom liknande filterhjul används i andra rymdbaserade teleskop som Hubble Space Telescope och Chandra X-ray Observatory.

"Det är otroligt att dessa rymdfarkoster har dessa rörliga delar i sig som fortsätter att fungera i flera år och är flygfärdiga och strålningshärdade," sa DePasquale.

När Webb observerar ett mål kommer det att titta först med ett filter, sedan ett annat och sedan mer om det behövs. För Webbs första djupfältsbild tog det data med sex filter, som vart och ett producerar en svartvit bild. Varje filter användes för en två timmars exponering, vilket gav upp till totalt 12 timmars observationstid.

När data har samlats in skickas den till instrumentteam för förbearbetning; sedan levereras den till DePasquale. "Du får sex individuella bilder, var och en motsvarar filtret som den togs med," sa han. Hans uppgift är att förvandla dessa sex svartvita bilder till en av de fantastiska bilder av rymden vi älskar att beundra.

Kombinera svart och vitt för att skapa färg

DePasquale kommer att få ett varierande antal bilder beroende på hur många filter forskarna har valt, sedan kommer han att kombinera dem till en enda bild. Genom att mappa data från dessa filter till färgkanaler skapar han en färgbild. För detta arbete kommer han att använda en kombination av grafikredigeringsprogram för allmänna ändamål som Adobe Photoshop och speciell astronomisk programvara som PixInsight, som ursprungligen utvecklades för amatörastrofotografi.

Filtren kan mappas till kanaler på alla möjliga sätt, men vanligtvis säger DePasquale att han kommer att mappa till de röda, gröna och blå kanalerna, eller RGB, som vanligtvis används för digitala bilder.

"Att kombinera saker i RGB skapar vanligtvis den mest naturliga bilden, eftersom det beror på naturen hos våra ögon och hur de uppfattar ljus", sa han. "Vi har koncellerna i våra ögon som reagerar på rött, grönt och blått ljus. Så våra ögon är redan redo att tolka världen på det sättet."

I djupfältsbilden tog han de sex filtren - F090W, F150W, F200W, F277W, F356W och F444W, som är namngivna efter den våglängd vid vilken de observerar - och kombinerade de två kortaste våglängdsfiltren till blått, de två medelvåglängdsfiltren till grönt och de två längsta våglängdsfiltren till grönt. Dessa kombineras sedan med skärmblandningsläget i Adobe Photoshop, som lägger ihop lagren för att skapa en färgbild.

I andra bilder, som Webb-bilden av Carina nebulosa, som bearbetades av DePasquales kollega Alyssa Pagan, tilldelades vart och ett av de sex olika filtren sin egen färg för att plocka ut alla olika egenskaper hos nebulosan. Men det fungerade inte så bra för det djupa fältet.

"Jag försökte ge varje filter sin egen unika färg," sa DePasquale. "Det kan skapa en fin bild, men i fallet med det djupa fältet fungerade det verkligen inte bra. Det skapade några konstiga färgartefakter och galaxer visade sig inte som de skulle. Så jag valde det här tillvägagångssättet, och det gjorde en mer naturlig färgbild för mig."

En snyggare bild

Det är därför som bildbehandlingsarbete kräver en konstnärlig touch såväl som vetenskaplig förståelse. En processors uppgift är att skapa en bild som både korrekt representerar data och är visuellt tilltalande.

När data från olika filter har kombinerats arbetar DePasquale med att justera bildens färgnivåer för att göra något attraktivt, men på ett sätt som är baserat på astronomiska principer. När det kom till Webbs djupfältsbild justerade han färgerna utifrån att använda en viss spiralgalax som vit referenspunkt och en tom himmelsfläck som grå bakgrund.

"När vi har en djupfältsbild eller en bild med många galaxer i bakgrunden, är mitt tillvägagångssätt i allmänhet är att använda spiralgalaxer som är den vita referenspunkten för hela bilden, säger han förklarade.

"Det beror på att spiralgalaxer kommer att visa en hel population av stjärnor, från de yngsta stjärnorna till de äldsta stjärnorna, som representerar alla färger som är möjliga inom stjärnor," sa han. "Så vi går från den ljusa blå färgen hos unga stjärnor till de gamla gulaktiga stjärnorna och allt däremellan. Så om du använder det som din vita referenspunkt ger det dig en riktigt snyggt balanserad bild överlag.”

Utseendet av ett djupt fält

Hittills har vi bara två observatorier som kan skapa djupfältsbilder: Hubble och Webb. Hubble arbetar i området för synligt ljus, medan Webb arbetar i infrarött, men båda tar utsikt över avlägsna galaxer i mörka delar av himlen. Det är intressant att jämföra utseendet på djupa fält från var och en och se hur de skiljer sig åt.

Bilder från Webb kommer att ha sitt eget unika utseende jämfört med bilder från andra teleskop som Hubble. Detta är mest märkbart på det sätt som ljusa stjärnor visas, med sina distinkta åttauddiga diffraktionsspikar. Detta beror på formen på Webbs spegel och är naturligt för bilder tagna med teleskopet.

Men totalt sett säger DePasquale att han strävar efter en allmän överensstämmelse mellan bilder som samlats in av Webb och de som samlas in av Hubble. Trots allt, oavsett hur data samlas in, är objekten som avbildas lika.

När det gäller djupfältsbilder, "det är något jag har arbetat med i många år", sa DePasquale. "Så jag har typ en intuitiv känsla för hur det ska se ut. Och jag vet att en spiralgalax ska ha ett visst utseende, de avlägsna fläckarna ska ha en viss nyans, och allt däremellan ska se naturligt ut.”

En filosofi om det infraröda

En stor skillnad mellan Webb och Hubble är att Webb kan titta på ännu mer avlägsna galaxer än Hubble, och många av dessa galaxer är så långt borta att deras ljus tar väldigt lång tid att nå oss. När universum expanderar under denna tid, skiftas detta ljus ut från det synliga ljusets våglängder och in i det infraröda i en process som kallas rödförskjutning.

Detta ger upphov till en gåta: Hur ska bildprocessorer visa en galax som skulle vara osynlig för våra ögon på grund av rödförskjutning, men som skulle avge synligt ljus om det var framför oss? Webbs djupa fält är fullt av sådana rödförskjutna galaxer, och även den relativt närmare huvudgalaxhopen i bilden är också rödförskjuten.

"Vissa människor kommer att ha ett filosofiskt argument om färgerna i den här bilden, eftersom galaxhopen redan är fyra och en halv miljard ljusår bort. Så den borde tekniskt sett vara rödförskjuten. Det här borde vara mycket mer rött än det ser ut, säger DePasquale.

Men han väljer istället att presentera data på ett sätt som mildrar rödförskjutningen och använder ett bredare färgspektrum för att ge mer information.

"Istället för att få hela bilden att ha en röd stänk över sig, låt oss göra den spiralgalax vi ser i denna bild den vita referenspunkten, så att klustret nu blir vitt istället för gult”, han sa. "Och sedan får du färginformation från allt annat bakom. Så de riktigt, riktigt avlägsna galaxerna visas nu som röda punkter i den här bilden, och andra saker som är närmare är mindre röda."

Berättelsen om Webb

Detta tillvägagångssätt hjälper inte bara tittarna att se mångfalden av galaxer i det djupa fältet utan lyfter också fram Webbs speciella förmågor.

"Berättelsen med Webb är att den kan se de avlägsna, avlägsna galaxerna, medan Hubble kommer till en punkt där den inte längre kan se dem eftersom de har rödförskjutits till infrarött ljus," sa han.

Denna förmåga att leta efter dessa galaxer med hög rödförskjutning är vad som kommer att göra det möjligt för Webb att se några av de tidigaste galaxerna som bildades i det mycket unga universum. Det är inte så att Webb helt enkelt är mer kraftfull än Hubble, utan snarare att de tittar på olika delar av det elektromagnetiska spektrumet.

Detta kompliceras av det faktum att Webbs upplösning ändras baserat på våglängden som den tittar på. Vid längre våglängder har dess bilder lägre upplösning. Men detta förhållande mellan våglängd och upplösning är inte nödvändigtvis en dålig sak för att arbeta med djupfältsbilder.

"Det fungerar bra för djupfältsbilden eftersom galaxerna som du upptäcker vid de längsta våglängderna är verkligen de svaga, eller de riktigt dammiga, och de kanske inte har så mycket struktur till att börja med", DePasquale sa. "Så om de är lite mindre lösta ser det faktiskt väldigt naturligt ut på bilden."

Vetenskaplig kunskap och kreativ frihet

Arbetet med bildbehandlare som DePasquale är ofta det första sättet som allmänheten engagerar sig i rymdvetenskap, så det är viktigt att det är både korrekt och tilltalande. Det kräver ett visst förtroende mellan forskarna som utför forskningen och bearbetarna som presenterar arbetet för allmänheten.

Men enligt hans erfarenhet, säger han, är de flesta forskare glada över att se deras arbete översättas till färgbilder. "Vid denna tidpunkt i min karriär har jag kommit till den punkt där jag får kreativ frihet att skapa en vacker bild, men folk litar på att jag kan vetenskapen tillräckligt bra för att kunna skapa en vacker färgbild som också berättar en vetenskaplig historia”, sa DePasquale.

Reaktionen på de första James Webb-bilderna var ett exempel. Inte bara rymdexperter har varit glada över att se potentialen i detta nya teleskop; medlemmar av allmänheten från hela världen har också blivit förvånade över att se dessa fascinerande nya vyer av kosmos.

Detta är bara början på vad vi kommer att se från Webb, med många fler bilder från teleskopet som kommer att delas under de kommande månaderna.

DePasquale säger att allmänhetens reaktion på de första bilderna är allt han hade hoppats på. "Det har varit fantastiskt att se. De finns bokstavligen överallt. De visades på Times Square, av alla ställen. Det har varit otroligt."

Redaktörens rekommendationer

• James Webb ser forntida damm som kan komma från de tidigaste supernovorna
• Zooma in på den fantastiska James Webb-bilden för att se en galax som bildades för 13,4 miljarder år sedan
• James Webb ser det mest avlägsna aktiva supermassiva svarta hålet som någonsin upptäckts
• James Webb ser ledtrådar till universums storskaliga struktur
• James Webb upptäcker en viktig molekyl i den fantastiska Orionnebulosan