JWST มองเห็นวัตถุระหว่างดวงดาวที่มองไม่เห็นได้อย่างไร

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ทำให้โลกตะลึงเมื่อไม่นานมานี้ ภาพแรกของอวกาศรวมถึงก ภาพสนามลึก ที่เผยให้เห็นจักรวาลอินฟราเรดได้ลึกกว่าที่เคย

แต่คุณไม่สามารถชี้กล้องโทรทรรศน์ไปที่พื้นที่ว่างแล้วถ่ายภาพได้ ข้อมูลที่รวบรวมโดย Webb จะต้องแปลจากอินฟราเรดและเป็นแสงที่มองเห็นได้ และประมวลผลเป็นภาพก่อนจึงจะสามารถแบ่งปันกับสาธารณะได้

การประมวลผลข้อมูลนี้ให้เป็นภาพที่สวยงามเป็นงานของ Joe DePasquale แห่งวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ สถาบันซึ่งรับผิดชอบในการประมวลผลภาพเจมส์ เวบบ์ ภาพแรกๆ รวมถึงภาพลึกอันเป็นเอกลักษณ์ สนาม. เขาบอกเราว่าต้องทำอย่างไรเพื่อทำให้ข้อมูลที่น่าทึ่งนี้มีชีวิตขึ้นมา

วงล้อหมุนของตัวกรอง

เพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับเป้าหมายประเภทต่างๆ มากมายที่เจมส์ เว็บบ์จะสังเกต ตั้งแต่หลุมดำไปจนถึง ดาวเคราะห์นอกระบบ เครื่องมือของมันจะต้องสามารถอ่านค่าที่ความยาวคลื่นต่างกันภายในได้ อินฟราเรด. เพื่อทำเช่นนั้น เครื่องมือของมันจึงติดอาวุธด้วย ล้อกรองซึ่งเป็นวงล้อหมุนของวัสดุที่แตกต่างกันซึ่งแต่ละอันยอมให้แสงความยาวคลื่นต่างกันผ่านไปได้

นักวิทยาศาสตร์เลือกเครื่องมือและความยาวคลื่นที่ต้องการใช้ในการสังเกต จากนั้นล้อตัวกรองจะหมุนเพื่อวางองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องไว้ด้านหน้าเซ็นเซอร์ของเครื่องมือ แม้ว่าการนำชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวเข้าไปในเทคโนโลยีที่ซับซ้อนเช่นนี้ถือเป็นความเสี่ยงเสมอ วิศวกรก็ได้รับการฝึกฝนมาอย่างดีในการทำงานกับชิ้นส่วนประเภทนี้ ในปัจจุบัน เนื่องจากมีการนำล้อกรองที่คล้ายกันไปใช้ในกล้องโทรทรรศน์อวกาศอื่นๆ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล และหอดูดาวรังสีเอกซ์จันทรา

“เป็นเรื่องเหลือเชื่อที่ยานอวกาศเหล่านี้มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวอยู่ในตัว ซึ่งยังคงทำงานต่อไปเป็นเวลาหลายปี และพร้อมสำหรับการบินและทนทานต่อรังสี” เดอปาสเควลกล่าว

เมื่อเวบบ์สังเกตเป้าหมาย มันจะดูโดยใช้ตัวกรองตัวหนึ่งก่อน จากนั้นจึงใช้ตัวกรองอื่น และมากกว่านั้นหากจำเป็น สำหรับภาพเขตข้อมูลลึกภาพแรกของเวบบ์ ต้องใช้ข้อมูลโดยใช้ฟิลเตอร์ 6 ตัว ซึ่งแต่ละตัวจะสร้างภาพขาวดำ ตัวกรองแต่ละตัวถูกใช้เพื่อรับแสงเป็นเวลาสองชั่วโมง ซึ่งรวมเวลาในการสังเกตรวมทั้งหมดเป็น 12 ชั่วโมง

เมื่อรวบรวมข้อมูลแล้ว จะถูกส่งไปยังทีมงานเครื่องมือเพื่อประมวลผลล่วงหน้า จากนั้นจะจัดส่งไปที่ DePasquale “คุณจะได้ภาพ 6 ภาพ แต่ละภาพสอดคล้องกับฟิลเตอร์ที่ถ่ายด้วย” เขากล่าว หน้าที่ของเขาคือเปลี่ยนภาพขาวดำทั้ง 6 ภาพให้เป็นหนึ่งในภาพอวกาศอันน่าทึ่งที่เราชอบชื่นชม

ผสมผสานขาวดำเพื่อสร้างสีสัน

DePasquale จะได้รับรูปภาพในจำนวนที่แตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับจำนวนฟิลเตอร์ที่นักวิจัยเลือก จากนั้นเขาจะรวมรูปภาพเหล่านั้นเป็นรูปภาพเดียว ด้วยการแมปข้อมูลจากฟิลเตอร์เหล่านี้ไปยังช่องสี เขาจะสร้างภาพสีขึ้นมา สำหรับงานนี้ เขาจะใช้ซอฟต์แวร์แก้ไขกราฟิกอเนกประสงค์ เช่น Adobe Photoshop และ ซอฟต์แวร์ทางดาราศาสตร์ชนิดพิเศษ เช่น PixInsight ซึ่งเดิมพัฒนาขึ้นสำหรับการถ่ายภาพดาราศาสตร์สมัครเล่น

ฟิลเตอร์สามารถแมปเข้ากับช่องสัญญาณได้ทุกประเภท แต่โดยทั่วไปแล้ว DePasquale กล่าวว่าเขาจะแมปเข้ากับช่องสีแดง เขียว และน้ำเงิน หรือ RGB ซึ่งมักใช้สำหรับภาพดิจิทัล

“การรวมสิ่งต่างๆ เข้าด้วยกันใน RGB มักจะสร้างภาพที่ดูเป็นธรรมชาติที่สุด เนื่องจากนั่นเป็นเพราะธรรมชาติของดวงตาของเราและวิธีที่พวกมันรับรู้แสง” เขากล่าว “เรามีเซลล์รูปกรวยในดวงตาที่ตอบสนองต่อแสงสีแดง เขียว และน้ำเงิน ดังนั้นสายตาของเราจึงพร้อมที่จะตีความโลกแบบนั้น”

ในภาพทุ่งลึก เขาใช้ฟิลเตอร์ 6 ตัว ได้แก่ F090W, F150W, F200W, F277W, F356W และ F444W ซึ่งตั้งชื่อตามความยาวคลื่นที่พวกเขาสังเกตเห็น — และรวมฟิลเตอร์ความยาวคลื่นที่สั้นที่สุดสองตัวเข้าด้วยกันเป็นสีน้ำเงิน ฟิลเตอร์ความยาวคลื่นกลางสองตัวเป็นสีเขียว และฟิลเตอร์ความยาวคลื่นที่ยาวที่สุดสองตัวเป็นสีเขียว จากนั้นจะรวมกันโดยใช้โหมดการผสมหน้าจอใน Adobe Photoshop ซึ่งจะเพิ่มเลเยอร์เข้าด้วยกันเพื่อสร้างภาพสี

ในภาพอื่นๆ เช่นภาพเวบบ์ของ เนบิวลาคารินาซึ่งได้รับการประมวลผลโดย Alyssa Pagan เพื่อนร่วมงานของ DePasquale โดยฟิลเตอร์แต่ละตัวจากทั้งหมด 6 ตัวได้รับการกำหนดสีของตัวเองเพื่อเลือกลักษณะที่แตกต่างกันทั้งหมดของเนบิวลา แต่นั่นไม่ได้ผลดีนักสำหรับสนามลึก

“ฉันพยายามทำให้ฟิลเตอร์แต่ละตัวมีสีที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวเอง” DePasquale กล่าว “นั่นสามารถสร้างภาพลักษณ์ที่ดีได้ แต่ในกรณีของสนามลึกมันไม่ได้ผลดีจริงๆ มันกำลังสร้างสิ่งประดิษฐ์สีแปลกๆ และกาแล็กซีก็ไม่ปรากฏเท่าที่ควร ดังนั้นฉันจึงใช้แนวทางนี้ และทำให้ภาพสีดูเป็นธรรมชาติมากขึ้นสำหรับฉัน”

ภาพที่ดูดียิ่งขึ้น

นี่คือเหตุผลว่าทำไมงานการประมวลผลภาพจึงต้องอาศัยความรู้สึกทางศิลปะและความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ งานของโปรเซสเซอร์คือการสร้างภาพที่แสดงถึงข้อมูลได้อย่างแม่นยำและน่าดึงดูดสายตา

เมื่อข้อมูลจากฟิลเตอร์ต่างๆ ถูกรวมเข้าด้วยกัน DePasquale จะดำเนินการปรับระดับสีของภาพเพื่อสร้างสิ่งที่น่าสนใจ แต่ในลักษณะที่อิงตามหลักการทางดาราศาสตร์ เมื่อพูดถึงภาพทุ่งลึกของเว็บบ์ เขาได้ปรับสีตามการใช้ดาราจักรกังหันเป็นจุดอ้างอิงสีขาว และใช้พื้นที่ว่างของท้องฟ้าเป็นพื้นหลังสีเทา

“เมื่อเรามีภาพในขอบเขตลึกหรือภาพที่มีกาแล็กซีจำนวนมากอยู่เบื้องหลัง วิธีของผม โดยทั่วไปจะใช้ดาราจักรกังหันหันหน้าเป็นจุดอ้างอิงสีขาวสำหรับภาพทั้งหมด” เขากล่าว อธิบาย

“นั่นเป็นเพราะกาแลคซีกังหันที่เผชิญหน้าจะแสดงดาวฤกษ์ทั้งหมด ตั้งแต่ดาวฤกษ์อายุน้อยที่สุดไปจนถึงดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุด เป็นตัวแทนของสีทั้งหมดที่เป็นไปได้ภายในดาวฤกษ์” เขากล่าว “ดังนั้นเราจึงเปลี่ยนจากสีฟ้าสดใสของดวงดาวอายุน้อยไปจนถึงดวงดาวสีเหลืองเก่าแก่และทุกสิ่งในระหว่างนั้น ดังนั้นหากคุณใช้จุดนั้นเป็นจุดอ้างอิงสีขาว ซึ่งจะทำให้ได้ภาพโดยรวมที่มีความสมดุลอย่างมาก”

รูปลักษณ์ของสนามลึก

จนถึงขณะนี้ เรามีหอสังเกตการณ์เพียงสองแห่งที่สามารถสร้างภาพในขอบเขตลึกได้ ได้แก่ ฮับเบิลและเวบบ์ ฮับเบิลทำงานในช่วงแสงที่มองเห็นได้ ในขณะที่เวบบ์ทำงานในอินฟราเรด แต่ทั้งคู่กำลังมองเห็นกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปในส่วนที่สลัวของท้องฟ้า การเปรียบเทียบรูปลักษณ์ของทุ่งลึกจากแต่ละแห่งเป็นเรื่องน่าสนใจและดูว่าต่างกันอย่างไร

ภาพจากเวบบ์จะมีรูปลักษณ์ที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวเอง เมื่อเทียบกับภาพจากกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ เช่น ฮับเบิล สิ่งนี้สังเกตได้ชัดเจนที่สุดในลักษณะที่ดาวสว่างปรากฏขึ้น โดยมีเดือยแหลมของการเลี้ยวเบนแปดแฉกอันโดดเด่น นี่เป็นเพราะว่า รูปร่างของกระจกเวบบ์ และมีอยู่ในภาพที่ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์

แต่โดยรวมแล้ว DePasquale กล่าวว่าเขาตั้งเป้าที่จะสร้างความสอดคล้องโดยทั่วไประหว่างภาพที่รวบรวมโดย Webb และภาพที่รวบรวมโดย Hubble ท้ายที่สุดแล้ว ไม่ว่าข้อมูลจะถูกเก็บรวบรวมอย่างไร วัตถุที่ถูกถ่ายภาพก็มีความคล้ายคลึงกัน

เมื่อพูดถึงภาพในขอบเขตลึก “นั่นคือสิ่งที่ผมทำงานด้วยมาหลายปีแล้ว” DePasquale กล่าว “ดังนั้นฉันจึงมีสัญชาตญาณว่ามันควรจะเป็นอย่างไร และฉันรู้ว่าดาราจักรกังหันที่หันหน้าเข้าหากันควรมีรูปลักษณ์ที่แน่นอน รอยเปื้อนที่อยู่ห่างไกลควรมีเฉดสีที่แน่นอน และทุกสิ่งในระหว่างนั้นควรดูเป็นธรรมชาติ”

ปรัชญาของอินฟราเรด

ความแตกต่างสำคัญประการหนึ่งระหว่างเวบบ์และฮับเบิลก็คือ เวบบ์สามารถมองดูกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลออกไปได้ กว่าฮับเบิล และกาแลคซีหลายแห่งเหล่านี้อยู่ไกลมากจนแสงของมันใช้เวลานานมากในการมาถึงเรา ในขณะที่เอกภพกำลังขยายตัวในช่วงเวลานี้ แสงนี้จะถูกเลื่อนออกจากความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นและเข้าสู่อินฟราเรดในกระบวนการที่เรียกว่าเรดชิฟต์

สิ่งนี้ทำให้เกิดปริศนา: ตัวประมวลผลภาพควรแสดงกาแล็กซีที่มองไม่เห็นได้อย่างไร สู่ดวงตาของเราเนื่องจากการเคลื่อนไปทางสีแดง แต่จะทำให้แสงที่มองเห็นได้หายไปหากอยู่ตรงหน้า เรา? สนามลึกของเวบบ์เต็มไปด้วยกาแลคซีที่มีการเคลื่อนไปทางสีแดง และแม้แต่กระจุกกาแลคซีหลักที่ค่อนข้างใกล้กว่าในภาพก็มีการเคลื่อนไปทางสีแดงเช่นกัน

“บางคนอาจมีข้อโต้แย้งเชิงปรัชญาเกี่ยวกับสีในภาพนี้ เนื่องจากกระจุกกาแลคซีอยู่ห่างออกไปสี่พันล้านปีแสงแล้ว ดังนั้นในทางเทคนิคแล้ว มันควรจะเป็น redshifted นี่ควรจะเป็นสีแดงมากกว่าที่เห็น” เดอปาสเควลกล่าว

แต่เขากลับเลือกที่จะนำเสนอข้อมูลในลักษณะที่ช่วยลดการเปลี่ยนแปลงสีแดง และใช้ช่วงสีที่กว้างขึ้นเพื่อให้ข้อมูลเพิ่มเติม

“แทนที่จะทำให้ทั้งภาพมีแถบสีแดงปกคลุม เรามาสร้างกาแล็กซีกังหันที่เราเห็นกันดีกว่า ภาพนี้เป็นจุดอ้างอิงสีขาว ดังนั้นคลัสเตอร์จึงกลายเป็นสีขาวแทนที่จะเป็นสีเหลือง” เขากล่าว พูดว่า. “จากนั้น คุณจะได้รับข้อมูลสีจากทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่เบื้องหลัง ดังนั้นกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลจริงๆ จะปรากฏเป็นจุดสีแดงในภาพนี้ และสิ่งอื่นๆ ที่อยู่ใกล้กว่านั้นจะมีสีแดงน้อยกว่า”

เรื่องราวของเวบบ์

วิธีการนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้ผู้ชมมองเห็นความหลากหลายของกาแล็กซีในส่วนลึกเท่านั้น แต่ยังเน้นย้ำถึงความสามารถเฉพาะของเวบบ์อีกด้วย

“เรื่องราวของเวบบ์คือมันสามารถมองเห็นกาแลคซีที่อยู่ไกลโพ้นได้ ในขณะที่ฮับเบิลไปถึงจุดที่ไม่สามารถมองเห็นพวกมันได้อีกต่อไปเพราะมันได้เคลื่อนไปทางสีแดงเป็นแสงอินฟราเรด” เขากล่าว

ความสามารถในการมองหาดาราจักรเรดชิฟต์ที่สูงเหล่านี้คือสิ่งที่จะทำให้เวบบ์มองเห็นดาราจักรยุคแรกๆ บางส่วนที่ก่อตัวในจักรวาลที่อายุน้อยมาก ไม่ใช่ว่าเวบบ์มีพลังมากกว่าฮับเบิล แต่พวกเขากำลังพิจารณาส่วนต่างๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าแทน

สิ่งนี้ซับซ้อนเนื่องจากความละเอียดของเวบบ์เปลี่ยนแปลงไปตามความยาวคลื่นที่มันดู เมื่อความยาวคลื่นยาวขึ้น ภาพจะมีความละเอียดต่ำกว่า แต่ความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นและความละเอียดก็ไม่ได้เลวร้ายเสมอไปสำหรับการทำงานกับภาพที่มีระยะชัดลึก

“มันใช้ได้ดีกับภาพในสนามลึกเพราะในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด กาแลคซีที่คุณตรวจพบจะอยู่ที่ จริงๆ แล้วอันที่จางๆ หรืออันที่ฝุ่นเยอะจริงๆ และพวกมันอาจมีโครงสร้างไม่มากนักตั้งแต่แรก” เดอปาสเควล พูดว่า. “ดังนั้น หากแก้ไขน้อยลงเล็กน้อย จริงๆ แล้วในภาพจะดูเป็นธรรมชาติมาก”

ความรู้ทางวิทยาศาสตร์และเสรีภาพในการสร้างสรรค์

การทำงานของโปรเซสเซอร์ภาพอย่าง DePasquale มักเป็นวิธีแรกที่สาธารณชนมีส่วนร่วมกับวิทยาศาสตร์อวกาศ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องมีทั้งความถูกต้องและน่าดึงดูด ซึ่งต้องได้รับความไว้วางใจระหว่างนักวิทยาศาสตร์ที่ทำการวิจัยและผู้ประมวลผลที่นำเสนอผลงานดังกล่าวต่อสาธารณะ

แต่จากประสบการณ์ของเขา เขากล่าวว่า นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยินดีที่ได้เห็นงานของพวกเขาแปลเป็นภาพสี “เมื่อถึงจุดนี้ในอาชีพของฉัน ฉันมาถึงจุดที่ได้รับอิสระในการสร้างสรรค์เพื่อสร้างภาพลักษณ์ที่สวยงาม แต่ผู้คนกลับไว้วางใจ ว่าฉันรู้จักวิทยาศาสตร์ดีพอที่จะสามารถสร้างภาพสีที่สวยงามและบอกเล่าเรื่องราวทางวิทยาศาสตร์ได้” กล่าว เดอปาสเควล.

ปฏิกิริยาต่อภาพแรกของเจมส์ เวบบ์ก็เป็นเช่นนั้น ไม่เพียงแต่ผู้เชี่ยวชาญด้านอวกาศเท่านั้นที่รู้สึกตื่นเต้นที่ได้เห็นศักยภาพของกล้องโทรทรรศน์ใหม่นี้ ประชาชนทั่วไปจากทั่วโลกต่างรู้สึกประหลาดใจที่ได้เห็นมุมมองใหม่อันน่าทึ่งของจักรวาลเหล่านี้

นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นของสิ่งที่เราจะได้เห็นจากเวบบ์ พร้อมด้วยภาพจากกล้องโทรทรรศน์อีกมากมายที่จะแบ่งปันในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้า

DePasquale กล่าวว่าปฏิกิริยาของสาธารณชนต่อภาพแรกคือทุกสิ่งที่เขาคาดหวัง “มันน่าทึ่งมากที่ได้เห็น พวกเขามีอยู่ทุกที่อย่างแท้จริง พวกเขาถูกจัดแสดงในไทม์สแควร์ของทุกที่ มันเหลือเชื่อมาก”

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• เจมส์ เวบบ์ ตรวจพบฝุ่นโบราณที่อาจมาจากซูเปอร์โนวายุคแรกๆ
• ซูมเข้าไปในภาพ James Webb อันน่าทึ่งเพื่อดูกาแลคซีที่ก่อตัวเมื่อ 13.4 พันล้านปีก่อน
• เจมส์ เวบบ์ ค้นพบหลุมดำมวลมหาศาลที่ยังคุกรุ่นอยู่ไกลที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมา
• เจมส์ เวบบ์ค้นพบเบาะแสเกี่ยวกับโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล
• เจมส์ เวบบ์ ตรวจพบโมเลกุลที่สำคัญในเนบิวลานายพรานที่น่าทึ่ง