Как раскрашиваются изображения телескопа Уэбба?

Черно-белое изображение туманности контрастирует с полноцветным изображением, результатом работы ученых по обработке.

Слева монохроматическое изображение, показывающее инфракрасные данные туманности Южное кольцо, полученные от Уэбба. Справа — обработанное изображение, показывающее тот же вид в полном цвете.
Изображение: Gizmodo/NASA, ESA, CSA и STScI

12 июля, первые полноцветные изображения Космический телескоп Уэбба показал бесчисленные туманности, галактики и газовую экзопланету такими, какими их никогда раньше не видели. Но Уэбб собирает только инфракрасный и ближний инфракрасный свет, который человеческий глаз не может видеть — так откуда же берутся эти великолепные цвета?

Разработчикам изображений в команде Уэбба поручено превратить данные инфракрасного изображения телескопа в одни из самых ярких видов космоса, которые у нас когда-либо были. Они приписывают различные длины волн инфракрасного излучения цветам видимого спектра, знакомым красным, синим, желтым и т. д. Но хотя обработанные изображения, полученные командой Уэбба, не буквально то, что видел телескоп, вряд ли может быть неточным.

«Что-то, о чем я пытался изменить мнение людей, — это перестать зацикливаться на идее «а вот как бы это выглядело, если бы я мог полететь туда на космическом корабле и посмотреть на это?», — сказал Джо Де Паскуале. старший разработчик изображений данных в Научном институте космического телескопа, в телефонном разговоре с Gizmodo. «Вы не спрашиваете биолога, можете ли вы каким-то образом уменьшиться до размера клетки и посмотреть на коронавирус».

Изображения MIRI (слева) и NIRCam (справа) глубокого поля SMACS 0723 показывают, как два инструмента по-разному отображают пространство.

Уэбба первые тестовые изображения помог проверить юстировку его зеркал и заснял оранжевый снимок Большого Магелланова Облака. Эти ранние снимки не были репрезентативными цветными изображениями; один использовал монохроматический фильтр (его изображение было в градациях серого), а другой просто переводил инфракрасный свет в полосы видимого цвета от красного до желтого, поэтому команда могла видеть определенные особенности облака, которое они изображали. Но теперь, когда телескоп запущен и работает, изображения, которые публикуются, полны ярких цветов, как это недавнее портрет Галактики Колесо Телеги.

Астрономия часто проводится за пределами видимого спектра, потому что многие из наиболее интересных объектов в космосе ярко светятся в ультрафиолетовом, рентгеновском и даже радиоволнах (к какой категории относится свет, зависит от длины волны фотона). Телескоп Уэбба предназначен для наблюдения за инфракрасным светом, длина волны которого больше, чем у красного видимого света, но короче, чем у микроволн.

Инфракрасный свет может проникать сквозь густые облака газа и пыли в космосе, позволяя исследователям увидеть ранее скрытые тайны Вселенной. Особенно интригует ученых то, что свет из ранней Вселенной растянулся по мере расширения Вселенной, а это означает, что то, что когда-то было ультрафиолетовым или видимым светом, теперь может быть инфракрасным (то, что известно как «свет с красным смещением»).

График, показывающий, что инфракрасные волны немного длиннее волн видимого света, что делает их более красными, чем самый красный видимый свет.

«Это инструменты, которые мы разработали, чтобы расширить возможности нашего зрения, выйти за пределы того, на что способны наши глаза, чтобы видеть свет, к которому наши глаза не чувствительны, и разрешать объекты, которые мы, вероятно, можем видеть только с помощью нашего зрения. глаза», — сказал ДеПаскуале. «Я пытаюсь выявить как можно больше деталей и максимальное богатство цвета и сложности, присущие данным, ничего не меняя».

Необработанные изображения Уэбба настолько загружены данными, что их необходимо уменьшить, прежде чем их можно будет преобразовать в видимый свет. Изображения также необходимо очистить от артефактов, таких как космические лучи и отражения от ярких звезд, попавших на детекторы телескопа. Если вы посмотрите на изображение Уэбба до завершения обработки, оно будет выглядеть как черный прямоугольник, усеянный несколькими белыми точками.

Необработанное изображение туманности Киля, видимое с помощью NIRCam, в основном черное для человеческого глаза с некоторыми белыми пятнами от некоторых источников света.  Понятно, что инфракрасный свет не виден человеческому глазу.

Необработанное изображение туманности Киля, полученное с помощью NIRCam, до преобразования инфракрасного света в видимые длины волн.
Изображение: Научный институт космического телескопа

Космические утесы туманности Киля имеют яркий цвет ржавчины на фоне темно-синего ионизированного газа и глубокого космоса.

«Я думаю, что есть некоторые коннотации, связанные с «раскрашиванием» или «ложным цветом», которые подразумевают, что происходит некий процесс, когда мы произвольно выбираем цвета для создания цветного изображения», — сказал ДеПаскуале. «Репрезентативный цвет — это наиболее предпочтительный термин для той работы, которую мы делаем, потому что я думаю, что он включает в себя работу, которую мы выполняем по преобразованию света для создания изображения в истинном цвете, но в диапазоне длин волн, к которому наши глаза не чувствительны. ”

Более длинным инфракрасным волнам присваиваются более красные цвета, а самым коротким инфракрасным волнам присваиваются более синие цвета. (Синий и фиолетовый свет имеют самые короткие длины волн в видимом спектре, а красный — самую длинную.) Этот процесс называется хроматическим упорядочением, и спектр разбивается на столько цветов, сколько необходимо команде для захвата полного спектра света, изображенного на рисунке. изображение.

«У нас есть фильтры на инструментах, которые собирают световые волны определенной длины, которым мы затем придаем цвет, наиболее близкий к тому, который, как мы думаем, будет на изображении. [visible] спектра», — сказала Алисса Пэган, разработчик научных визуальных изображений в Научном институте космического телескопа, в телефонном разговоре с Gizmodo.

Хроматический порядок также зависит от того, какие элементы изображаются. При работе с узкополосными длинами волн в оптическом свете — кислородом, ионизированным водородом и серой, как предполагает Паган, — последние два излучают в красном цвете. Таким образом, водород может сместиться в зеленый видимый свет, чтобы дать зрителю больше информации.

«Это баланс между искусством и наукой, потому что вы хотите продемонстрировать науку и особенности, а иногда эти две вещи не обязательно работают вместе», — добавил Пэган.


Первые репрезентативные цветные изображения Уэбба были опубликованы 12 июля, более чем через шесть месяцев после запуска телескопа с космодрома ЕКА во Французской Гвиане. Оттуда Уэбб проехал около миллиона миль до L2, точки в космосе, где гравитационные эффекты позволяют космическим кораблям оставаться на месте, не сжигая большого количества топлива.

Телескоп развернулся на пути к L2, поэтому, когда он был там, ученые миссии могли приступить к настройке зеркал обсерватории стоимостью 10 миллиардов долларов и вводу в эксплуатацию ее инструментов. Телескоп имеет четыре инструмента: камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), спектрограф ближнего инфракрасного диапазона, прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI), а также датчик точного наведения и спектрограф без щелей для точного наведения на цели и характеристики атмосфер экзопланет.

Большое количество пыли в некоторых галактиках и туманностях прозрачно для NIRCam, что позволяет ему захватывать яркие звезды на более коротких длинах волн. MIRI, с другой стороны, может наблюдать диски материала, которые уступят место планетам, а также пыль, нагретую звездным светом.

Когда изображения телескопа собираются, процессоры изображений работают с учеными-инструментариями, чтобы решить, какие особенности данного объекта должны быть выделены на изображении: возможно, его горячий газ или холодный пыльный хвост.

Галактический квинтет, видимый в трех фильтрах среднего инфракрасного диапазона.  В среднем инфракрасном диапазоне в сфокусированных галактиках преобладает фиолетовый оттенок, в то время как фоновые галактики представляют собой набор красных, желтых и синих цветов.

Когда Уэбб сфотографировал Квинтет Стефана, визуальную группу из пяти галактик, конечный продукт представлял собой изображение с разрешением 150 миллионов пикселей, состоящее из 1000 изображений, сделанных как MIRI, так и NIRCam. Однако при просмотре MIRI на изображении доминирует горячая пыль. На фоне изображений MIRI далекие галактики светятся разными цветами; ДеПаскуале сказал, что команда называет их «кегли».

Де Паскуале и Пэган помогли создать изображения Уэбба такими, какими мы их в конечном итоге увидели, богатыми цветом и космическим значением. В случае размашистого снимка космических утесов Туманности Киля различные фильтры захватили ионизированный голубой газ и красную пыль. По словам Пагана, при начальных проходах изображения туманности газ скрывал структуру пыли, и ученые попросили группу обработки изображений немного «смягчить газ».

Собрать свет в шестиугольных зеркалах Уэбба — это только полдела, когда нужно увидеть далекую вселенную. Перевод того, что есть, — это совсем другой зверь.

.

Leave a Comment