Wie das James-Webb-Weltraumteleskop Bilder von „unsichtbaren“ interstellaren Objekten erstellt

Das James-Webb-Weltraumteleskop verblüffte kürzlich die Welt mit seinen ersten Weltraumbildern , darunter ein Deep-Field-Bild , das das Infrarot-Universum in größerer Tiefe als je zuvor zeigte.

Aber Sie können nicht einfach ein Teleskop auf einen Fleck im Weltraum richten und ein Foto machen. Die von Webb gesammelten Daten müssen aus dem Infrarot in das sichtbare Licht übersetzt und zu einem Bild verarbeitet werden, bevor sie mit der Öffentlichkeit geteilt werden können.

Die Verarbeitung dieser Daten zu wunderschönen Bildern ist die Aufgabe von Joe DePasquale vom Space Telescope Science Institute, der für die Verarbeitung einiger der ersten James-Webb-Bilder, einschließlich des ikonischen Deep Field, verantwortlich war. Er erzählte uns, was nötig ist, um diese unglaublichen Daten zum Leben zu erwecken.

Ein rotierendes Filterrad

Um Daten über die vielen verschiedenen Arten von Zielen zu sammeln, die James Webb beobachten wird, von Schwarzen Löchern bis zu Exoplaneten, müssen seine Instrumente in der Lage sein, Messungen bei verschiedenen Wellenlängen im Infrarotbereich vorzunehmen. Dazu sind seine Instrumente mit Filterrädern ausgestattet , Karussells aus unterschiedlichen Materialien, die jeweils unterschiedliche Lichtwellenlängen durchlassen.

Wissenschaftler wählen aus, welche Instrumente und welche Wellenlängen sie für ihre Beobachtungen verwenden möchten, und die Filterräder drehen sich, um das entsprechende Element vor die Sensoren des Instruments zu bringen. Während das Einbringen beweglicher Teile in ein so komplexes Stück Technologie immer ein Risiko darstellt, sind Ingenieure mittlerweile gut im Umgang mit dieser Art von Hardware geübt, da ähnliche Filterräder in anderen weltraumgestützten Teleskopen wie dem Hubble-Weltraumteleskop und dem verwendet werden Chandra-Röntgenobservatorium.

„Es ist unglaublich, dass diese Raumfahrzeuge diese beweglichen Teile in sich haben, die jahrelang funktionieren und flugbereit und strahlungsbeständig sind“, sagte DePasquale.

Wenn Webb ein Ziel beobachtet, sucht es zuerst mit einem Filter, dann mit einem anderen und bei Bedarf mit weiteren Filtern. Für Webbs erstes Deep-Field-Bild wurden Daten mit sechs Filtern verwendet, von denen jeder ein Schwarz-Weiß-Bild erzeugt. Jeder Filter wurde für eine zweistündige Exposition verwendet, was insgesamt 12 Stunden Beobachtungszeit ergab.

Sobald die Daten gesammelt wurden, werden sie zur Vorverarbeitung an Instrumententeams gesendet. dann wird es an DePasquale geliefert. „Sie erhalten sechs einzelne Bilder, von denen jedes dem Filter entspricht, mit dem es aufgenommen wurde“, sagte er. Seine Aufgabe ist es, diese sechs Schwarz-Weiß-Bilder in eines der atemberaubenden Bilder des Weltraums zu verwandeln, die wir so gerne bewundern.

Kombinieren von Schwarz und Weiß zu Farbe

DePasquale erhält eine unterschiedliche Anzahl von Bildern, je nachdem, wie viele Filter die Forscher ausgewählt haben, und fügt sie dann zu einem einzigen Bild zusammen. Indem er Daten dieser Filter auf Farbkanäle abbildet, erstellt er ein Farbbild. Für diese Arbeit verwendet er eine Kombination aus Allzweck-Grafikbearbeitungssoftware wie Adobe Photoshop und astronomischer Spezialsoftware wie PixInsight, die ursprünglich für die Amateur-Astrofotografie entwickelt wurde.

Die Filter können auf alle möglichen Arten auf Kanäle abgebildet werden, aber laut DePasquale wird er normalerweise auf die roten, grünen und blauen Kanäle oder RGB, die üblicherweise für digitale Bilder verwendet werden, abgebildet.

„Das Kombinieren von Dingen in RGB erzeugt normalerweise das natürlichste Bild, da dies auf die Natur unserer Augen zurückzuführen ist und wie sie Licht wahrnehmen“, sagte er. „Wir haben die Zapfenzellen in unseren Augen, die auf rotes, grünes und blaues Licht reagieren. Unsere Augen sind also bereits darauf vorbereitet, die Welt so zu interpretieren.“

Im Deep-Field-Bild nahm er die sechs Filter – F090W, F150W, F200W, F277W, F356W und F444W, die nach der Wellenlänge benannt sind, bei der sie beobachten – und kombinierte die beiden Filter mit der kürzesten Wellenlänge mit Blau, den beiden mit mittlerer Wellenlänge Filter in Grün, und die beiden Filter mit der längsten Wellenlänge in Grün. Diese werden dann mit dem Bildschirm-Mischmodus in Adobe Photoshop kombiniert, der die Ebenen zu einem Farbbild zusammenfügt.

In anderen Bildern, wie dem Webb-Bild des Carina-Nebels , das von DePasquales Kollegin Alyssa Pagan verarbeitet wurde, wurde jedem der sechs verschiedenen Filter eine eigene Farbe zugewiesen, um alle verschiedenen Merkmale des Nebels hervorzuheben. Aber das funktionierte nicht so gut für das tiefe Feld.

„Ich habe versucht, jedem Filter seine eigene einzigartige Farbe zu geben“, sagte DePasquale. „Das kann ein schönes Bild erzeugen, aber im Fall des tiefen Feldes hat es wirklich nicht gut funktioniert. Es erzeugte einige seltsame Farbartefakte und Galaxien erschienen nicht so, wie sie sollten. Also habe ich mich für diesen Ansatz entschieden und er hat für mich ein natürlicheres Farbbild erzeugt.“

Ein besser aussehendes Bild

Deshalb erfordert Bildverarbeitungsarbeit neben wissenschaftlichem Verständnis auch eine künstlerische Ader. Die Aufgabe eines Prozessors besteht darin, ein Bild zu erstellen, das die Daten sowohl genau darstellt als auch optisch ansprechend ist.

Sobald Daten aus verschiedenen Filtern kombiniert wurden, arbeitet DePasquale daran, die Farbstufen des Bildes anzupassen, um etwas Attraktives zu schaffen, aber auf eine Weise, die auf astronomischen Prinzipien basiert. Als es um das Deep-Field-Bild von Webb ging, passte er die Farben an, indem er eine bestimmte Spiralgalaxie als weißen Referenzpunkt und einen leeren Himmelsfleck als grauen Hintergrund verwendete.

„Wenn wir ein Deep-Field-Bild oder ein Bild mit vielen Galaxien im Hintergrund haben, besteht mein Ansatz im Allgemeinen darin, Spiralgalaxien von vorne als weißen Referenzpunkt für das gesamte Bild zu verwenden“, erklärte er.

„Das liegt daran, dass Spiralgalaxien von vorne eine ganze Population von Sternen zeigen, von den jüngsten Sternen bis zu den ältesten Sternen, die alle Farben repräsentieren, die innerhalb von Sternen möglich sind“, sagte er. „Also gehen wir vom hellen Blau junger Sterne zu den altgelben Sternen und allem dazwischen. Wenn Sie das also als weißen Referenzpunkt verwenden, erhalten Sie insgesamt ein wirklich schön ausgewogenes Bild.“

Das Aussehen eines tiefen Feldes

Bisher haben wir nur zwei Observatorien, die Tieffeldbilder erstellen können: Hubble und Webb. Hubble arbeitet im Bereich des sichtbaren Lichts, während Webb im Infrarotbereich arbeitet, aber beide nehmen ferne Galaxien in dunklen Teilen des Himmels auf. Es ist interessant, das Aussehen der tiefen Felder von jedem zu vergleichen und zu sehen, wie sie sich unterscheiden.

Bilder von Webb haben im Vergleich zu Bildern von anderen Teleskopen wie Hubble ihr eigenes, einzigartiges Aussehen. Dies macht sich am deutlichsten darin bemerkbar, wie helle Sterne mit ihren charakteristischen achtzackigen Beugungsspitzen erscheinen. Dies liegt an derForm des Webb-Spiegels und ist den Bildern eigen, die mit dem Teleskop aufgenommen wurden.

Aber insgesamt sagt DePasquale, dass er eine allgemeine Konsistenz zwischen den von Webb gesammelten Bildern und denen von Hubble anstrebt. Denn unabhängig davon, wie die Daten erhoben werden, sind die abgebildeten Objekte ähnlich.

Wenn es um Deep-Field-Bilder geht, „ist das etwas, womit ich seit vielen Jahren arbeite“, sagte DePasquale. „Also habe ich ein gewisses intuitives Gespür dafür, wie es aussehen sollte. Und ich weiß, dass eine frontale Spiralgalaxie ein bestimmtes Aussehen haben sollte, die entfernten Flecken einen bestimmten Farbton haben sollten und alles dazwischen natürlich aussehen sollte.“

Eine Philosophie des Infrarots

Ein großer Unterschied zwischen Webb und Hubble besteht darin, dass Webb in der Lage ist, noch weiter entfernte Galaxien zu betrachten als Hubble, und viele dieser Galaxien sind so weit entfernt, dass ihr Licht sehr lange braucht, um uns zu erreichen. Da sich das Universum während dieser Zeit ausdehnt, wird dieses Licht in einem als Rotverschiebung bezeichneten Prozess aus den Wellenlängen des sichtbaren Lichts in den Infrarotbereich verschoben.

Dies wirft ein Rätsel auf: Wie sollen Bildprozessoren eine Galaxie darstellen, die wegen der Rotverschiebung für unsere Augen unsichtbar wäre, die aber sichtbares Licht abgeben würde, wenn sie vor uns wäre? Das Webb-Tiefenfeld ist voll von solchen rotverschobenen Galaxien, und selbst der relativ nähere Hauptgalaxienhaufen im Bild ist ebenfalls rotverschoben.

„Einige Leute werden sich über die Farben in diesem Bild philosophisch streiten, weil der Galaxienhaufen bereits viereinhalb Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Es sollte also technisch rotverschoben werden. Das sollte viel roter sein, als es aussieht“, sagte DePasquale.

Stattdessen entscheidet er sich dafür, die Daten so darzustellen, dass die Rotverschiebung abgeschwächt wird, und verwendet eine größere Farbpalette, um mehr Informationen zu liefern.

„Anstatt das ganze Bild mit einem Rotstich zu überziehen, machen wir die Spiralgalaxie, die wir in diesem Bild sehen, zum weißen Referenzpunkt, sodass der Haufen jetzt weiß statt gelb wird“, sagte er. „Und dann bekommt man Farbinformationen von allem anderen dahinter. Die wirklich, wirklich weit entfernten Galaxien erscheinen jetzt als rote Punkte in diesem Bild, und andere Sachen, die näher sind, sind weniger rot.“

Die Geschichte von Webb

Dieser Ansatz hilft den Zuschauern nicht nur, die Vielfalt der Galaxien im tiefen Feld zu sehen, sondern hebt auch die besonderen Fähigkeiten von Webb hervor.

„Die Geschichte mit Webb ist, dass es die weit entfernten Galaxien sehen kann, während Hubble an einen Punkt kommt, an dem es sie nicht mehr sehen kann, weil sie in Infrarotlicht rotverschoben sind“, sagte er.

Diese Fähigkeit, nach diesen Galaxien mit hoher Rotverschiebung zu suchen, wird es Webb ermöglichen, einige der frühesten Galaxien zu sehen, die sich im sehr jungen Universum gebildet haben. Es ist nicht so, dass Webb einfach mächtiger als Hubble ist, sondern dass sie sich verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums ansehen.

Dies wird durch die Tatsache erschwert, dass sich die Auflösung von Webb je nach betrachteter Wellenlänge ändert. Bei längeren Wellenlängen haben seine Bilder eine geringere Auflösung. Aber diese Beziehung zwischen Wellenlänge und Auflösung ist nicht unbedingt eine schlechte Sache für die Arbeit mit Deep-Field-Bildern.

„Es funktioniert gut für das Deep-Field-Bild, weil die Galaxien, die Sie bei den längsten Wellenlängen entdecken, wirklich die schwachen oder die wirklich staubigen sind, und sie haben möglicherweise nicht viel Struktur“, sagte DePasquale. „Wenn sie also etwas weniger aufgelöst sind, sieht es auf dem Bild tatsächlich sehr natürlich aus.“

Wissenschaftliche Erkenntnis und kreative Freiheit

Die Arbeit von Bildverarbeitern wie DePasquale ist oft der erste Weg, auf dem sich die Öffentlichkeit mit der Weltraumwissenschaft auseinandersetzt, daher ist es wichtig, dass sie sowohl genau als auch ansprechend ist. Das erfordert ein gewisses Maß an Vertrauen zwischen den Wissenschaftlern, die die Forschung durchführen, und den Verarbeitern, die diese Arbeit der Öffentlichkeit präsentieren.

Aber seiner Erfahrung nach sind die meisten Wissenschaftler hocherfreut, wenn ihre Arbeit in Farbbilder übersetzt wird. „An diesem Punkt meiner Karriere bin ich an einem Punkt angelangt, an dem ich kreative Freiheit habe, um ein schönes Bild zu schaffen, aber die Leute vertrauen darauf, dass ich die Wissenschaft gut genug kenne, um ein schönes Farbbild zu schaffen, das auch aussagekräftig ist eine wissenschaftliche Geschichte“, sagte DePasquale.

Die Reaktion auf die ersten Bilder von James Webb war ein typisches Beispiel. Nicht nur Weltraumexperten waren gespannt auf das Potenzial dieses neuen Teleskops; Mitglieder der Öffentlichkeit aus der ganzen Welt waren ebenfalls erstaunt, diese faszinierenden neuen Ansichten des Kosmos zu sehen.

Dies ist nur der Anfang dessen, was wir von Webb sehen werden, mit vielen weiteren Bildern des Teleskops, die in den kommenden Monaten geteilt werden.

DePasquale sagt, die öffentliche Reaktion auf die ersten Bilder sei alles, was er sich erhofft habe. „Es war unglaublich zu sehen. Sie sind buchstäblich überall. Sie wurden ausgerechnet am Times Square ausgestellt. Es war unglaublich.“