Como o Telescópio Espacial James Webb cria imagens de objetos interestelares ‘invisíveis’

O Telescópio Espacial James Webb recentemente surpreendeu o mundo com suas primeiras imagens do espaço , incluindo uma imagem de campo profundo que mostrou o universo infravermelho com mais profundidade do que nunca.

Mas você não pode simplesmente apontar um telescópio para um pedaço do espaço e tirar uma foto. Os dados coletados pelo Webb devem ser traduzidos do infravermelho para a luz visível e processados ​​em uma imagem antes de serem compartilhados com o público.

Processar esses dados em belas imagens é o trabalho de Joe DePasquale, do Space Telescope Science Institute, responsável pelo processamento de algumas das primeiras imagens de James Webb, incluindo o icônico campo profundo. Ele nos contou o que é preciso para dar vida a esses dados incríveis.

Uma roda giratória de filtros

Para coletar dados sobre os muitos tipos diferentes de alvos que James Webb observará, de buracos negros a exoplanetas, seus instrumentos precisam ser capazes de fazer leituras em diferentes comprimentos de onda no infravermelho. Para isso, seus instrumentos são armados com rodas de filtro , que são carrosséis de diferentes materiais, cada um permitindo a passagem de diferentes comprimentos de onda de luz.

Os cientistas selecionam quais instrumentos e quais comprimentos de onda eles querem usar para suas observações, e as rodas do filtro giram para colocar o elemento correspondente na frente dos sensores do instrumento. Embora a introdução de peças móveis em uma peça de tecnologia tão complexa seja sempre um risco, os engenheiros já estão acostumados a trabalhar com esse tipo de hardware, já que rodas de filtro semelhantes são usadas em outros telescópios espaciais, como o Telescópio Espacial Hubble e o Telescópio Espacial Hubble. Observatório de Raios-X Chandra.

“É incrível que essas espaçonaves tenham essas partes móveis que continuam funcionando por anos e estão prontas para voar e endurecidas por radiação”, disse DePasquale.

Quando o Webb observa um alvo, ele procurará primeiro usando um filtro, depois outro e depois mais, se necessário. Para a primeira imagem de campo profundo do Webb, foram coletados dados usando seis filtros, cada um dos quais produz uma imagem em preto e branco. Cada filtro foi utilizado para uma exposição de duas horas, totalizando 12 horas de tempo de observação.

Uma vez coletados, os dados são enviados às equipes de instrumentação para pré-processamento; depois, é entregue à DePasquale. “Você obtém seis imagens individuais, cada uma correspondendo ao filtro com o qual foi tirada”, disse ele. Sua tarefa é transformar essas seis imagens em preto e branco em uma das imagens impressionantes do espaço que adoramos admirar.

Combinando preto e branco para criar cores

DePasquale receberá um número variável de imagens dependendo de quantos filtros os pesquisadores escolheram, então ele os combinará em uma única imagem. Ao mapear os dados desses filtros em canais de cores, ele cria uma imagem colorida. Para este trabalho, ele usará uma combinação de software de edição gráfica de uso geral, como o Adobe Photoshop, e software astronômico especializado, como o PixInsight, originalmente desenvolvido para astrofotografia amadora.

Os filtros podem ser mapeados nos canais de várias maneiras, mas normalmente DePasquale diz que mapeará os canais vermelho, verde e azul, ou RGB, que são comumente usados ​​para imagens digitais.

“Combinar coisas em RGB geralmente cria a imagem mais natural, pois isso se deve à natureza de nossos olhos e como eles percebem a luz”, disse ele. “Temos as células cone em nossos olhos que respondem à luz vermelha, verde e azul. Então nossos olhos já estão preparados para interpretar o mundo dessa maneira.”

Na imagem de campo profundo, ele pegou os seis filtros – F090W, F150W, F200W, F277W, F356W e F444W, que são nomeados para o comprimento de onda em que observam – e combinou os dois filtros de comprimento de onda mais curtos em azul, os dois comprimentos de onda médios. filtra para verde e os dois maiores comprimentos de onda filtram para verde. Eles são combinados usando o modo de mesclagem de tela no Adobe Photoshop, que adiciona as camadas para criar uma imagem colorida.

Em outras imagens, como a imagem Webb da nebulosa Carina , que foi processada pela colega de DePasquale, Alyssa Pagan, cada um dos seis filtros diferentes recebeu sua própria cor para selecionar todas as diferentes características da nebulosa. Mas isso não funcionou tão bem para o campo profundo.

“Eu tentei dar a cada filtro sua própria cor única”, disse DePasquale. “Isso pode criar uma boa imagem, mas no caso do campo profundo não estava funcionando bem. Estava criando alguns artefatos de cores estranhas e as galáxias não estavam aparecendo como deveriam. Então eu fui com essa abordagem, e ela fez uma imagem colorida com aparência mais natural para mim.”

Uma imagem mais bonita

É por isso que o trabalho de processamento de imagens requer um toque artístico, bem como uma compreensão científica. O trabalho de um processador é criar uma imagem que represente com precisão os dados e seja visualmente atraente.

Uma vez combinados os dados de diferentes filtros, DePasquale trabalha para ajustar os níveis de cor da imagem para torná-la atraente, mas de uma forma baseada em princípios astronômicos. Quando se tratava da imagem de campo profundo do Webb, ele ajustou as cores com base no uso de uma galáxia espiral específica como ponto de referência branco e um pedaço de céu em branco como fundo cinza.

“Quando temos uma imagem de campo profundo ou uma imagem com muitas galáxias no fundo, minha abordagem geralmente é usar galáxias espirais de frente como ponto de referência branco para toda a imagem”, explicou ele.

“Isso porque as galáxias espirais de frente exibirão uma população inteira de estrelas, desde as estrelas mais jovens até as estrelas mais velhas, representando todas as cores possíveis dentro das estrelas”, disse ele. “Então, vamos dos azuis brilhantes das estrelas jovens às estrelas amareladas e velhas e tudo mais. Então, se você usar isso como seu ponto de referência branco, isso fornecerá uma imagem geral muito bem equilibrada.”

O olhar de um campo profundo

Até agora, temos apenas dois observatórios capazes de criar imagens de campo profundo: Hubble e Webb. O Hubble opera na faixa de luz visível, enquanto o Webb opera no infravermelho, mas ambos estão observando galáxias distantes em partes escuras do céu. É interessante comparar a aparência dos campos profundos de cada um e ver como eles diferem.

As imagens do Webb terão uma aparência única em comparação com as imagens de outros telescópios, como o Hubble. Isso é mais perceptível na maneira como as estrelas brilhantes aparecem, com seus distintos picos de difração de oito pontas. Isso se deve aoformato do espelho de Webb e é inerente às imagens captadas com o telescópio.

Mas, no geral, DePasquale diz que busca uma consistência geral entre as imagens coletadas pelo Webb e as coletadas pelo Hubble. Afinal, independentemente de como os dados são coletados, os objetos que estão sendo fotografados são semelhantes.

Quando se trata de imagens de campo profundo, “é algo com o qual trabalho há muitos anos”, disse DePasquale. “Então, eu meio que tenho uma noção intuitiva de como deve ser. E eu sei que uma galáxia espiral de frente deve ter uma certa aparência, as manchas distantes devem ter uma certa tonalidade e tudo no meio deve parecer natural.”

Uma filosofia do infravermelho

Uma grande diferença entre Webb e Hubble é que Webb é capaz de observar galáxias ainda mais distantes do que Hubble, e muitas dessas galáxias estão tão distantes que sua luz leva muito tempo para chegar até nós. À medida que o universo está se expandindo durante esse período, essa luz é deslocada dos comprimentos de onda da luz visível para o infravermelho em um processo chamado redshift.

Isso traz um enigma: como os processadores de imagem devem exibir uma galáxia que seria invisível aos nossos olhos por causa do desvio para o vermelho, mas que emitiria luz visível se estivesse à nossa frente? O campo profundo de Webb está cheio de tais galáxias desviadas para o vermelho, e até mesmo o aglomerado de galáxias principal relativamente mais próximo na imagem também está desviado para o vermelho.

“Algumas pessoas terão uma discussão filosófica sobre as cores nesta imagem, porque o aglomerado de galáxias já está a quatro bilhões e meio de anos-luz de distância. Portanto, tecnicamente deve ser redshifted. Isso deve ser muito mais vermelho do que parece”, disse DePasquale.

Mas, em vez disso, ele prefere apresentar os dados de uma maneira que mitiga o desvio para o vermelho e usa uma gama mais ampla de cores para fornecer mais informações.

“Em vez de fazer com que toda a imagem tenha um tom vermelho sobre ela, vamos fazer da galáxia espiral que vemos nesta imagem o ponto de referência branco, de modo que o aglomerado agora se torne branco em vez de amarelo”, disse ele. “E então, você obtém informações de cores de tudo o que está por trás disso. Então as galáxias muito, muito distantes agora aparecem como pontos vermelhos nesta imagem, e outras coisas que estão mais próximas são menos vermelhas.”

A história de Webb

Essa abordagem não apenas ajuda os espectadores a ver a diversidade de galáxias no campo profundo, mas também destaca as habilidades particulares do Webb.

“A história com o Webb é que ele pode ver as galáxias distantes, distantes, enquanto o Hubble chega a um ponto em que não pode mais vê-las porque elas mudaram para o vermelho em luz infravermelha”, disse ele.

Essa capacidade de procurar essas galáxias com alto desvio para o vermelho é o que permitirá a Webb ver algumas das primeiras galáxias que se formaram no universo muito jovem. Não é que o Webb seja simplesmente mais poderoso que o Hubble, mas sim que eles estão olhando para diferentes partes do espectro eletromagnético.

Isso é complicado pelo fato de que a resolução do Webb muda com base no comprimento de onda que ele observa. Em comprimentos de onda mais longos, suas imagens têm resolução mais baixa. Mas essa relação entre comprimento de onda e resolução não é necessariamente ruim para trabalhar com imagens de campo profundo.

“Funciona bem para a imagem de campo profundo porque nos comprimentos de onda mais longos as galáxias que você está detectando são realmente as mais fracas, ou as realmente empoeiradas, e podem não ter muita estrutura para começar”, disse DePasquale. “Então, se eles estão um pouco menos resolvidos, na verdade parece muito natural na imagem.”

Conhecimento científico e liberdade criativa

O trabalho de processadores de imagem como o DePasquale costuma ser a primeira maneira pela qual os membros do público se envolvem com a ciência espacial, por isso é importante que seja preciso e atraente. Isso requer um grau de confiança entre os cientistas que realizam a pesquisa e os processadores que apresentam esse trabalho ao público.

Mas em sua experiência, diz ele, a maioria dos cientistas fica encantada ao ver seu trabalho traduzido em imagens coloridas. “Neste ponto da minha carreira, cheguei ao ponto em que tenho liberdade criativa para criar uma bela imagem, mas as pessoas confiam que eu conheço a ciência o suficiente para ser capaz de criar uma bela imagem colorida que também conta uma história científica”, disse DePasquale.

A reação às primeiras imagens de James Webb foi um exemplo disso. Não só os especialistas espaciais ficaram entusiasmados ao ver o potencial deste novo telescópio; membros do público de todo o mundo também ficaram surpresos ao ver essas novas e fascinantes visões do cosmos.

Este é apenas o começo do que veremos do Webb, com muito mais imagens do telescópio a serem compartilhadas nos próximos meses.

DePasquale diz que a reação do público às primeiras imagens é tudo o que ele esperava. “Foi incrível ver. Eles estão literalmente em todos os lugares. Eles foram exibidos na Times Square, de todos os lugares. Tem sido incrível.”