Як JWST бачить невидимі міжзоряні об’єкти

Космічний телескоп Джеймса Вебба нещодавно приголомшив світ своїм перші зображення космосу, включаючи a зображення глибокого поля який показав інфрачервоний всесвіт більш глибоко, ніж будь-коли раніше.

Але ви не можете просто навести телескоп на клаптик космосу та зробити фото. Дані, зібрані Веббом, мають бути перетворені з інфрачервоного та видимого світла та оброблені в зображення, перш ніж ними можна буде поділитися з громадськістю.

Обробка цих даних у чудові зображення — робота Джо ДеПаскуале з Space Telescope Science Institute, який відповідав за обробку деяких із перших зображень Джеймса Вебба, включно з культовими глибокими поле. Він розповів нам, що потрібно, щоб ці неймовірні дані ожили.

Обертове колесо фільтрів

Щоб зібрати дані про багато різних типів цілей, які спостерігатиме Джеймс Вебб, від чорних дір до екзопланети, його інструменти повинні мати можливість знімати показання на різних довжинах хвиль в межах інфрачервоний. Для цього його інструменти озброєні фільтруючі колеса, які являють собою каруселі з різних матеріалів, кожна з яких пропускає різні довжини хвилі світла.

Вчені обирають, які інструменти та які довжини хвиль вони хочуть використовувати для своїх спостережень, а колеса фільтрів обертаються, щоб поставити відповідний елемент перед датчиками приладу. Хоча впровадження рухомих частин у таку складну технологію завжди ризиковано, інженери добре напрацьовані у роботі з таким видом обладнання на даний момент, оскільки подібні колеса фільтрів використовуються в інших космічних телескопах, таких як космічний телескоп Хаббла та рентгенівська обсерваторія Чандра.

«Це неймовірно, що ці космічні кораблі мають такі рухомі частини, які продовжують працювати роками, готові до польоту та захищені від радіації», — сказав ДеПаскуале.

Коли Вебб спостерігає за ціллю, вона шукатиме спочатку один фільтр, потім інший, а потім інші, якщо потрібно. Для першого зображення глибокого поля Вебб брав дані за допомогою шести фільтрів, кожен з яких створював чорно-біле зображення. Кожен фільтр використовувався для двогодинної експозиції, що додало 12 годин часу спостереження.

Після збору даних вони надсилаються групам приладів для попередньої обробки; потім він доставляється в DePasquale. «Ви отримуєте шість окремих зображень, кожне з яких відповідає фільтру, за допомогою якого воно було зроблено», — сказав він. Його завдання — перетворити ці шість чорно-білих зображень на одне з приголомшливих зображень космосу, яким ми любимо милуватися.

Поєднання чорного і білого для отримання кольору

ДеПаскуале отримає різну кількість зображень залежно від того, скільки фільтрів вибрали дослідники, а потім він об’єднає їх в одне зображення. Відображаючи дані з цих фільтрів на кольорові канали, він створює кольорове зображення. Для цієї роботи він використовуватиме комбінацію програм загального призначення для редагування графіки, таких як Adobe Photoshop та спеціальне астрономічне програмне забезпечення, наприклад PixInsight, яке спочатку було розроблено для аматорської астрофотографії.

Фільтри можна відображати на каналах різними способами, але зазвичай ДеПаскуале каже, що він відображатиме червоний, зелений і синій канали, або RGB, які зазвичай використовуються для цифрових зображень.

«Поєднання речей у RGB зазвичай створює найбільш природне зображення, оскільки це пов’язано з природою наших очей і тим, як вони сприймають світло», — сказав він. «У наших очах є конусоподібні клітини, які реагують на червоне, зелене та синє світло. Отже, наші очі вже налаштовані так інтерпретувати світ».

На зображенні глибокого поля він взяв шість фільтрів — F090W, F150W, F200W, F277W, F356W і F444W, які названі за довжиною хвилі, на якій вони спостерігають — і поєднав два фільтри найкоротшої довжини хвилі в синій, два фільтри середньої довжини хвилі в зелений і два фільтри найдовшої довжини хвилі в зелений. Потім вони поєднуються за допомогою режиму змішування екрана в Adobe Photoshop, який додає шари разом, щоб створити кольорове зображення.

На інших зображеннях, як-от зображення Вебба Туманність Кіль, який обробила колега ДеПаскуале Алісса Паган, кожному з шести різних фільтрів було призначено власний колір, щоб виділити всі різні особливості туманності. Але це не спрацювало для глибокого поля.

«Я намагався надати кожному фільтру власний унікальний колір», — сказав ДеПаскуале. «Це може створити гарне зображення, але у випадку глибокого поля це справді не працювало добре. Це створювало якісь дивні кольорові артефакти, і галактики виглядали не так, як мали б. Тож я застосував цей підхід, і він зробив для мене більш природним кольорове зображення».

Краще зображення

Ось чому робота з обробки зображень потребує художнього дотику, а також наукового розуміння. Робота процесора полягає у створенні зображення, яке точно відображає дані та є візуально привабливим.

Після об’єднання даних із різних фільтрів DePasquale працює над налаштуванням рівнів кольорів зображення, щоб зробити щось привабливим, але на основі астрономічних принципів. Коли справа дійшла до зображення глибокого поля Вебба, він відкоригував кольори, використовуючи певну спіральну галактику як білу опорну точку та порожню ділянку неба як сірий фон.

«Коли у нас є зображення глибокого поля або зображення з великою кількістю галактик на задньому плані, мій підхід загалом, це використовувати спіральні галактики, розташовані обличчям до обличчя, як білу точку відліку для всього зображення», – сказав він пояснив.

«Це тому, що в спіральних галактиках, розташованих обличчям до обличчя, відображатиметься ціла популяція зірок, від наймолодших зірок до найстаріших зірок, які представляють усі кольори, які можливі всередині зірок», — сказав він. «Тож ми переходимо від яскравого синього кольору молодих зірок до старих жовтуватих зірок і всього між ними. Тож якщо ви використовуєте це як орієнтир білого, це дає вам справді добре збалансоване зображення в цілому».

Вигляд глибокого поля

Поки що ми маємо лише дві обсерваторії, здатні створювати зображення глибокого поля: Хаббл і Вебб. Хаббл працює у видимому діапазоні світла, а Вебб — в інфрачервоному, але обидва знімають далекі галактики в затемнених частинах неба. Цікаво порівняти зовнішній вигляд глибоких полів кожного й побачити, чим вони відрізняються.

Зображення з Вебба матимуть власний унікальний вигляд порівняно зі зображеннями з інших телескопів, таких як Хаббл. Це найбільш помітно в тому, як виглядають яскраві зірки з їх характерними восьмикутними дифракційними шипами. Це пов'язано з Форма дзеркала Вебба і є властивим зображенням, зробленим за допомогою телескопа.

Але в цілому ДеПаскуале каже, що він прагне до загальної узгодженості між зображеннями, зібраними Веббом, і тими, які зібрав Хаббл. Зрештою, незалежно від того, як збираються дані, об’єкти, що знімаються, схожі.

Коли справа доходить до зображень глибокого поля, «це те, з чим я працював багато років», — сказав ДеПаскуале. «Тож у мене є начебто інтуїтивне відчуття того, як це має виглядати. І я знаю, що спіральна галактика повинна мати певний вигляд, віддалені плями мають мати певний відтінок, а все між ними має виглядати природно».

Філософія інфрачервоного випромінювання

Велика відмінність між Веббом і Хабблом полягає в тому, що Вебб здатний дивитися на навіть більш віддалені галактики. ніж Хаббл, і багато з цих галактик настільки далекі, що їхньому світлу потрібно дуже багато часу, щоб досягти нас. Оскільки Всесвіт розширюється протягом цього часу, це світло зміщується з довжин хвиль видимого світла в інфрачервоне в процесі, який називається червоним зміщенням.

Це породжує головоломку: як процесори зображень повинні відображати галактику, яка була б невидимою для наших очей через червоне зміщення, але яка б випромінювала видиме світло, якби була попереду нас? Глибоке поле Вебба сповнене таких галактик із червоним зміщенням, і навіть відносно ближче головне скупчення галактик на зображенні також має червоне зміщення.

«У деяких людей виникнуть філософські суперечки щодо кольорів на цьому зображенні, тому що скупчення галактик уже знаходиться на відстані чотирьох з половиною мільярдів світлових років. Тож технічно це має бути червоне зміщення. Це має бути набагато червонішим, ніж виглядає», – сказав ДеПаскуале.

Але натомість він вирішив представити дані таким чином, щоб пом’якшити червоне зміщення та використати ширший діапазон кольорів, щоб надати більше інформації.

«Замість того, щоб все зображення покривалося червоним відтінком, давайте зробимо спіральну галактику, яку ми бачимо в це зображення є білою опорною точкою, так що кластер тепер стає білим, а не жовтим», – сказав він сказав. «І потім ви отримуєте інформацію про колір від усього, що стоїть за цим. Тож справді дуже далекі галактики тепер відображаються на цьому зображенні як червоні точки, а інші речі, які розташовані ближче, менш червоні».

Історія Вебба

Цей підхід не тільки допомагає глядачам побачити різноманітність галактик у глибокому полі, але й підкреслює особливі здібності Вебба.

«Історія з Веббом полягає в тому, що він може бачити далекі, далекі галактики, тоді як Хаббл доходить до точки, коли він більше не може їх бачити, тому що вони змінили червоне зміщення в інфрачервоне світло», — сказав він.

Ця здатність шукати ці галактики з великим червоним зсувом дозволить Веббу побачити деякі з найдавніших галактик, які утворилися в дуже молодому Всесвіті. Справа не в тому, що Вебб просто могутніший за Хаббл, а в тому, що вони розглядають різні частини електромагнітного спектру.

Це ускладнюється тим фактом, що роздільна здатність Вебба змінюється залежно від довжини хвилі, на яку він дивиться. На більших довжинах хвиль його зображення мають меншу роздільну здатність. Але це співвідношення між довжиною хвилі та роздільною здатністю не обов’язково є поганим для роботи із зображеннями глибокого поля.

«Це добре працює для зображення глибокого поля, оскільки на найдовших довжинах хвиль галактики, які ви виявляєте, насправді слабкі, або дуже запорошені, і вони можуть спочатку не мати великої структури», – ДеПаскуале сказав. «Тож якщо вони трохи менш чіткі, це насправді виглядає дуже природно на зображенні».

Наукове знання і творча свобода

Робота процесорів зображень, таких як DePasquale, часто є першим способом знайомства громадськості з космічною наукою, тому важливо, щоб вона була точною та привабливою. Це вимагає певного рівня довіри між вченими, які проводять дослідження, і процесорами, які представляють цю роботу громадськості.

Але з його досвіду, каже він, більшість вчених із задоволенням бачать, як їхня робота перекладається на кольорові зображення. «На даному етапі моєї кар’єри я дійшов до точки, коли мені дали творчу свободу для створення красивого образу, але люди довіряють що я достатньо добре знаю науку, щоб створити гарне кольорове зображення, яке також розповідає наукову історію», – сказав Де Паскуале.

Реакція на перші зображення Джеймса Вебба була показовим прикладом. Не лише космічні експерти були раді побачити потенціал цього нового телескопа; представники громадськості з усього світу також були вражені, побачивши ці захоплюючі нові види космосу.

Це лише початок того, що ми побачимо від Вебба, з багатьма іншими зображеннями з телескопа, які ми опублікуємо протягом наступних місяців.

ДеПаскуале каже, що реакція публіки на перші зображення – це все, на що він сподівався. «Це було дивовижно бачити. Вони буквально всюди. Їх виставляли на Таймс-сквер, з усіх інших місць. Це було неймовірно».

Рекомендації редакції

• Джеймс Вебб помічає стародавній пил, який міг походити від найдавніших наднових
• Збільште приголомшливе зображення Джеймса Вебба, щоб побачити галактику, яка утворилася 13,4 мільярда років тому
• Джеймс Вебб помічає найвіддаленішу активну надмасивну чорну діру з коли-небудь виявлених
• Джеймс Вебб знаходить ключі до великомасштабної структури Всесвіту
• Джеймс Вебб виявляє важливу молекулу в приголомшливій туманності Оріона