Как космический телескоп Джеймса Уэбба создает изображения «невидимых» межзвездных объектов

Космический телескоп Джеймса Уэбба недавно ошеломил мир своими первыми изображениями космоса , в том числе изображением глубокого поля , которое показало инфракрасную Вселенную в большей глубине, чем когда-либо прежде.

Но вы не можете просто навести телескоп на участок космоса и сделать снимок. Данные, собранные Уэббом, должны быть переведены из инфракрасного диапазона в видимый свет и обработаны в изображение, прежде чем ими можно будет поделиться с общественностью.

Обработка этих данных в красивые изображения — это работа Джо Де Паскуале из Научного института космического телескопа, который отвечал за обработку некоторых из первых изображений Джеймса Уэбба, включая культовое глубокое поле. Он рассказал нам, что нужно, чтобы воплотить в жизнь эти невероятные данные.

Вращающееся колесо фильтров

Чтобы собрать данные о многих различных типах целей, которые Джеймс Уэбб будет наблюдать, от черных дыр до экзопланет, его инструменты должны иметь возможность снимать показания на разных длинах волн в инфракрасном диапазоне. Для этого его инструменты оснащены колесами фильтров , которые представляют собой карусели из разных материалов, каждый из которых пропускает свет с разной длиной волны.

Ученые выбирают, какие инструменты и какие длины волн они хотят использовать для своих наблюдений, а колеса фильтров вращаются, чтобы поместить соответствующий элемент перед датчиками прибора. Хотя внедрение движущихся частей в такую ​​сложную технологию всегда сопряжено с риском, инженеры уже хорошо натренированы в работе с этим типом оборудования, поскольку подобные фильтрующие колеса используются в других космических телескопах, таких как космический телескоп Хаббла и космический телескоп Хаббла. Рентгеновская обсерватория Чандра.

«Невероятно, что в этих космических кораблях есть движущиеся части, которые продолжают функционировать в течение многих лет, готовы к полету и защищены от радиации», — сказал ДеПаскуале.

Когда Уэбб наблюдает за целью, он сначала будет использовать один фильтр, затем другой, а затем и другие, если потребуется. Для первого изображения глубокого поля Уэбб использовал данные с использованием шести фильтров, каждый из которых создает черно-белое изображение. Каждый фильтр использовался для двухчасовой экспозиции, что в сумме составило 12 часов наблюдения.

После того, как данные собраны, они отправляются командам по приборам для предварительной обработки; затем его доставляют ДеПаскуале. «Вы получаете шесть отдельных изображений, каждое из которых соответствует фильтру, с которым оно было снято», — сказал он. Его задача состоит в том, чтобы превратить эти шесть черно-белых изображений в одно из потрясающих изображений космоса, которыми мы любим восхищаться.

Сочетание черного и белого для получения цвета

ДеПаскуале получит различное количество изображений в зависимости от того, сколько фильтров выбрали исследователи, затем он объединит их в одно изображение. Сопоставляя данные этих фильтров с цветовыми каналами, он создает цветное изображение. Для этой работы он будет использовать комбинацию программного обеспечения для редактирования графики общего назначения, такого как Adobe Photoshop, и специального астрономического программного обеспечения, такого как PixInsight, которое изначально было разработано для любительской астрофотографии.

Фильтры можно сопоставлять с каналами любыми способами, но обычно, по словам ДеПаскуале, он сопоставляет красный, зеленый и синий каналы, или RGB, которые обычно используются для цифровых изображений.

«Комбинирование элементов в RGB обычно создает наиболее естественное изображение, поскольку это связано с природой наших глаз и тем, как они воспринимают свет», — сказал он. «У нас в глазах есть колбочки, которые реагируют на красный, зеленый и синий свет. Так что наши глаза уже готовы интерпретировать мир таким образом».

На изображении глубокого поля он взял шесть фильтров — F090W, F150W, F200W, F277W, F356W и F444W, названных в честь длины волны, на которой они наблюдают, — и объединил два фильтра с самой короткой длиной волны в синий, два фильтра со средней длиной волны. фильтры в зеленый цвет, а два самых длинноволновых фильтра — в зеленый. Затем они объединяются с использованием режима смешивания экрана в Adobe Photoshop, который объединяет слои для создания цветного изображения.

На других изображениях, например, на изображении Уэбба туманности Киля , которое было обработано коллегой ДеПаскуале Алиссой Пэган, каждому из шести различных фильтров был назначен свой цвет, чтобы выделить все различные особенности туманности. Но это не сработало так хорошо для глубокого поля.

«Я пытался придать каждому фильтру свой уникальный цвет», — сказал ДеПаскуале. «Это может создать хорошее изображение, но в случае глубокого поля это действительно не сработало. Это создавало какие-то странные цветовые артефакты, и галактики не появлялись должным образом. Поэтому я выбрал этот подход, и он сделал цветное изображение более естественным для меня».

Лучшее изображение

Вот почему работа по обработке изображений требует художественного подхода, а также научного понимания. Задача процессора состоит в том, чтобы создать изображение, которое точно представляет данные и является визуально привлекательным.

После объединения данных из разных фильтров ДеПаскуале работает над корректировкой уровней цвета изображения, чтобы сделать его привлекательным, но таким образом, который основан на астрономических принципах. Когда дело дошло до изображения глубокого поля Уэбба, он отрегулировал цвета, используя определенную спиральную галактику в качестве белой контрольной точки и пустой участок неба в качестве серого фона.

«Когда у нас есть изображение глубокого поля или изображение с большим количеством галактик на заднем плане, мой подход обычно заключается в использовании спиральных галактик лицом к лицу в качестве белой точки отсчета для всего изображения», — пояснил он.

«Это потому, что спиральные галактики лицом к лицу будут отображать всю популяцию звезд, от самых молодых звезд до самых старых звезд, представляя все цвета, которые возможны внутри звезд», — сказал он. «Итак, мы переходим от ярко-голубых молодых звезд к старым желтоватым звездам и всему промежуточному. Поэтому, если вы используете его в качестве контрольной точки белого, это дает вам действительно хорошо сбалансированное изображение в целом».

Взгляд глубокого поля

Пока у нас есть только две обсерватории, способные создавать изображения глубокого поля: Хаббл и Уэбб. «Хаббл» работает в диапазоне видимого света, а «Уэбб» — в инфракрасном, но оба снимают изображения далеких галактик в тусклых участках неба. Интересно сравнить внешний вид глубоких полей у каждого из них и посмотреть, чем они отличаются.

Изображения с Webb будут иметь свой уникальный вид по сравнению с изображениями с других телескопов, таких как Hubble. Это наиболее заметно по тому, как появляются яркие звезды с характерными восьмиконечными дифракционными всплесками. Это связано сформой зеркала Уэбба и характерно для изображений, снятых с помощью телескопа.

Но в целом ДеПаскуале говорит, что стремится к общей согласованности между изображениями, собранными Уэббом, и изображениями, собранными Хабблом. Ведь независимо от того, как собраны данные, объекты изображения одинаковы.

Когда дело доходит до изображений глубокого поля, «это то, с чем я работаю уже много лет», — сказал ДеПаскуале. «Поэтому у меня есть интуитивное представление о том, как это должно выглядеть. И я знаю, что спиральная галактика лицом к лицу должна иметь определенный вид, далекие пятна должны иметь определенный оттенок, а все, что находится между ними, должно выглядеть естественно».

Философия инфракрасного излучения

Одно большое различие между Уэббом и Хабблом заключается в том, что Уэбб способен видеть даже более далекие галактики, чем Хаббл, и многие из этих галактик находятся так далеко, что их свету требуется очень много времени, чтобы достичь нас. Поскольку Вселенная расширяется в это время, этот свет смещается из длин волн видимого света в инфракрасный в процессе, называемом красным смещением.

Возникает загадка: как процессоры изображений должны отображать галактику, которая была бы невидима для наших глаз из-за красного смещения, но излучала бы видимый свет, если бы находилась перед нами? Глубокое поле Уэбба полно таких галактик с красным смещением, и даже относительно близкое основное скопление галактик на изображении также смещено в красную сторону.

«У некоторых людей возникнет философский спор о цветах на этом изображении, потому что скопление галактик уже удалено от нас на четыре с половиной миллиарда световых лет. Так что технически он должен быть с красным смещением. Это должно быть намного более красным, чем кажется», — сказал ДеПаскуале.

Но вместо этого он предпочитает представлять данные таким образом, чтобы уменьшить красное смещение и использовать более широкий диапазон цветов, чтобы дать больше информации.

«Вместо того, чтобы все изображение имело красный оттенок, давайте сделаем спиральную галактику, которую мы видим на этом изображении, белой точкой отсчета, чтобы скопление теперь стало белым, а не желтым», — сказал он. «И затем вы получаете информацию о цвете от всего остального, стоящего за этим. Таким образом, очень, очень далекие галактики теперь отображаются как красные точки на этом изображении, а другие объекты, которые находятся ближе, менее красные».

История Уэбба

Этот подход не только помогает зрителям увидеть разнообразие галактик в глубоком поле, но также подчеркивает особые способности Уэбба.

«История с Уэббом заключается в том, что он может видеть далекие-далекие галактики, в то время как Хаббл доходит до того, что больше не может их видеть, потому что они сместились в красную сторону в инфракрасный свет», — сказал он.

Эта способность искать эти галактики с большим красным смещением позволит Уэббу увидеть некоторые из самых ранних галактик, сформировавшихся в очень молодой Вселенной. Дело не в том, что Уэбб просто мощнее Хаббла, а в том, что они рассматривают разные части электромагнитного спектра.

Это осложняется тем фактом, что разрешение Уэбба меняется в зависимости от длины волны, на которую он смотрит. На более длинных волнах его изображения имеют более низкое разрешение. Но это соотношение между длиной волны и разрешением не обязательно плохо для работы с изображениями глубокого поля.

«Это хорошо работает для изображения глубокого поля, потому что на самых длинных волнах галактики, которые вы обнаруживаете, на самом деле являются слабыми или действительно запыленными, и они могут не иметь особой структуры с самого начала», — сказал ДеПаскуале. «Поэтому, если они немного менее четкие, на изображении это выглядит очень естественно».

Научное знание и творческая свобода

Работа обработчиков изображений, таких как DePasquale, часто является первым способом, с помощью которого представители общественности взаимодействуют с космической наукой, поэтому важно, чтобы она была одновременно точной и привлекательной. Для этого требуется определенная степень доверия между учеными, выполняющими исследования, и процессорами, которые представляют эту работу публике.

Но, по его опыту, говорит он, большинство ученых рады видеть, как их работа переводится в цветные изображения. «На данном этапе моей карьеры я дошел до того, что мне предоставляется творческая свобода для создания красивого изображения, но люди верят, что я знаю науку достаточно хорошо, чтобы создать красивое цветное изображение, которое также говорит научная история», — сказал ДеПаскуале.

Реакция на первые изображения Джеймса Уэбба была показательным примером. Не только космические эксперты были взволнованы, увидев потенциал этого нового телескопа; Представители общественности со всего мира также были поражены, увидев эти захватывающие новые виды космоса.

Это только начало того, что мы увидим с телескопа Уэбба, и в ближайшие месяцы мы поделимся еще большим количеством изображений с телескопа.

ДеПаскуале говорит, что реакция публики на первые изображения — это все, на что он надеялся. «Это было удивительно видеть. Они буквально повсюду. Они были выставлены на Таймс-сквер, во всех местах. Это было невероятно».