Cómo el Telescopio Espacial James Webb crea imágenes de objetos interestelares ‘invisibles’

El telescopio espacial James Webb sorprendió al mundo recientemente con sus primeras imágenes del espacio , incluida una imagen de campo profundo que mostró el universo infrarrojo con más profundidad que nunca.

Pero no puedes simplemente apuntar un telescopio a un trozo de espacio y tomar una foto. Los datos recopilados por Webb deben traducirse del infrarrojo a la luz visible y procesarse en una imagen antes de que pueda compartirse con el público.

Procesar estos datos en hermosas imágenes es el trabajo de Joe DePasquale del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, quien fue responsable de procesar algunas de las primeras imágenes de James Webb, incluido el icónico campo profundo. Nos dijo lo que se necesita para que estos datos increíbles cobren vida.

Una rueda giratoria de filtros

Para recopilar datos sobre los diferentes tipos de objetivos que observará James Webb, desde agujeros negros hasta exoplanetas, sus instrumentos deben poder tomar lecturas en diferentes longitudes de onda dentro del infrarrojo. Para ello, sus instrumentos están armados con ruedas de filtros , que son carruseles de diferentes materiales que permiten el paso de diferentes longitudes de onda de luz.

Los científicos seleccionan qué instrumentos y qué longitudes de onda quieren usar para sus observaciones, y las ruedas de filtros giran para colocar el elemento correspondiente frente a los sensores del instrumento. Si bien la introducción de piezas móviles en una pieza de tecnología tan compleja siempre es un riesgo, los ingenieros ya tienen mucha práctica trabajando con este tipo de hardware, ya que se utilizan ruedas de filtro similares en otros telescopios espaciales como el Telescopio Espacial Hubble y el Observatorio de rayos X Chandra.

“Es increíble que estas naves espaciales tengan estas partes móviles que continúan funcionando durante años y están listas para volar y endurecidas por radiación”, dijo DePasquale.

Cuando Webb observa un objetivo, primero buscará usando un filtro, luego otro y luego más si es necesario. Para la primera imagen de campo profundo de Webb, tomó datos utilizando seis filtros, cada uno de los cuales produce una imagen en blanco y negro. Cada filtro se utilizó para una exposición de dos horas, sumando un total de 12 horas de tiempo de observación.

Una vez que se han recopilado los datos, se envían a los equipos de instrumentos para su preprocesamiento; luego, se entrega a DePasquale. “Obtienes seis imágenes individuales, cada una correspondiente al filtro con el que fue tomada”, dijo. Su tarea es convertir esas seis imágenes en blanco y negro en una de las impresionantes imágenes del espacio que amamos admirar.

Combinando blanco y negro para hacer color

DePasquale recibirá una cantidad variable de imágenes según la cantidad de filtros que hayan elegido los investigadores, luego las combinará en una sola imagen. Al mapear datos de estos filtros en canales de color, crea una imagen en color. Para este trabajo, utilizará una combinación de software de edición de gráficos de uso general como Adobe Photoshop y software astronómico especializado como PixInsight, que se desarrolló originalmente para la astrofotografía amateur.

Los filtros se pueden asignar a los canales de muchas maneras, pero, por lo general, DePasquale dice que se asignará a los canales rojo, verde y azul, o RGB, que se usan comúnmente para imágenes digitales.

“Combinar cosas en RGB por lo general crea la imagen más natural, ya que eso se debe a la naturaleza de nuestros ojos y cómo perciben la luz”, dijo. “Tenemos células cónicas en nuestros ojos que responden a la luz roja, verde y azul. Así que nuestros ojos ya están preparados para interpretar el mundo de esa manera”.

En la imagen de campo profundo, tomó los seis filtros (F090W, F150W, F200W, F277W, F356W y F444W, que llevan el nombre de la longitud de onda en la que observan) y combinó los dos filtros de longitud de onda más corta en azul, los dos filtros de longitud de onda media. filtros en verde, y los dos filtros de longitud de onda más larga en verde. Luego, estos se combinan usando el modo de fusión de pantalla en Adobe Photoshop, que agrega las capas para crear una imagen en color.

En otras imágenes, como la imagen de Webb de la nebulosa Carina , que fue procesada por la colega de DePasquale, Alyssa Pagan, a cada uno de los seis filtros diferentes se le asignó su propio color para seleccionar todas las diferentes características de la nebulosa. Pero eso no funcionó tan bien para el campo profundo.

“Intenté darle a cada filtro su propio color único”, dijo DePasquale. “Eso puede crear una buena imagen, pero en el caso del campo profundo realmente no funcionaba bien. Estaba creando algunos artefactos de colores extraños y las galaxias no aparecían como deberían. Así que opté por este enfoque y me hizo una imagen en color de aspecto más natural”.

Una imagen más atractiva

Esta es la razón por la cual el trabajo de procesamiento de imágenes requiere un toque artístico además de una comprensión científica. El trabajo de un procesador es crear una imagen que represente con precisión los datos y que sea visualmente atractiva.

Una vez que se han combinado los datos de diferentes filtros, DePasquale trabaja en el ajuste de los niveles de color de la imagen para hacer algo atractivo, pero de una manera basada en principios astronómicos. En lo que respecta a la imagen de campo profundo de Webb, ajustó los colores basándose en el uso de una galaxia espiral particular como punto de referencia blanco y un trozo de cielo en blanco como fondo gris.

“Cuando tenemos una imagen de campo profundo o una imagen con muchas galaxias en el fondo, mi enfoque generalmente es usar galaxias espirales de frente como el punto de referencia blanco para toda la imagen”, explicó.

“Eso se debe a que las galaxias espirales de frente mostrarán una población completa de estrellas, desde las estrellas más jóvenes hasta las estrellas más viejas, que representan todos los colores posibles dentro de las estrellas”, dijo. “Así que pasamos de los azules brillantes de las estrellas jóvenes a las estrellas amarillentas y viejas y todo lo demás. Entonces, si usa eso como su punto de referencia blanco, eso le brinda una imagen muy bien equilibrada en general”.

La mirada de un campo profundo

Hasta el momento, solo tenemos dos observatorios capaces de crear imágenes de campo profundo: Hubble y Webb. Hubble opera en el rango de luz visible, mientras que Webb opera en el infrarrojo, pero ambos están tomando vistas de galaxias distantes en partes oscuras del cielo. Es interesante comparar el aspecto de los campos profundos de cada uno y ver en qué se diferencian.

Las imágenes de Webb tendrán su propio aspecto único en comparación con las imágenes de otros telescopios como el Hubble. Esto es más notable en la forma en que aparecen las estrellas brillantes, con sus distintivos picos de difracción de ocho puntas. Esto se debe a laforma del espejo de Webb y es inherente a las imágenes capturadas con el telescopio.

Pero, en general, DePasquale dice que busca una consistencia general entre las imágenes recopiladas por Webb y las recopiladas por Hubble. Después de todo, independientemente de cómo se recopilen los datos, los objetos de los que se obtienen imágenes son similares.

Cuando se trata de imágenes de campo profundo, "eso es algo con lo que he estado trabajando durante muchos años", dijo DePasquale. “Así que tengo una especie de sentido intuitivo de cómo debería verse. Y sé que una galaxia espiral de frente debería tener un cierto aspecto, las manchas distantes deberían tener un cierto matiz y todo lo que hay en el medio debería verse natural”.

Una filosofía del infrarrojo

Una gran diferencia entre Webb y Hubble es que Webb es capaz de mirar galaxias aún más distantes que Hubble, y muchas de estas galaxias están tan lejos que su luz tarda mucho en llegar a nosotros. A medida que el universo se expande durante este tiempo, esta luz se desplaza fuera de las longitudes de onda de luz visible hacia el infrarrojo en un proceso llamado corrimiento al rojo.

Esto plantea un enigma: ¿Cómo deberían los procesadores de imágenes mostrar una galaxia que sería invisible a nuestros ojos debido al corrimiento al rojo, pero que estaría emitiendo luz visible si estuviera frente a nosotros? El campo profundo de Webb está lleno de este tipo de galaxias desplazadas hacia el rojo, e incluso el cúmulo de galaxias principal relativamente más cercano en la imagen también está desplazado hacia el rojo.

“Algunas personas tendrán un argumento filosófico sobre los colores en esta imagen, porque el cúmulo de galaxias ya está a cuatro mil quinientos millones de años luz de distancia. Por lo tanto, técnicamente debería estar desplazado hacia el rojo. Esto debería ser mucho más rojo de lo que parece”, dijo DePasquale.

Pero, en cambio, elige presentar los datos de una manera que mitiga el corrimiento al rojo y utiliza una gama más amplia de colores para brindar más información.

“En lugar de hacer que toda la imagen tenga un tono rojo sobre ella, hagamos que la galaxia espiral que vemos en esta imagen sea el punto de referencia blanco, de modo que el cúmulo ahora se vuelva blanco en lugar de amarillo”, dijo. “Y luego, obtienes información de color de todo lo que hay detrás. Entonces, las galaxias muy, muy distantes ahora aparecen como puntos rojos en esta imagen, y otras cosas que están más cerca son menos rojas”.

La historia de Webb

Este enfoque no solo ayuda a los espectadores a ver la diversidad de galaxias en el campo profundo, sino que también destaca las habilidades particulares de Webb.

“La historia con Webb es que puede ver las galaxias distantes, mientras que el Hubble llega a un punto en el que ya no puede verlas porque se han desplazado al rojo hacia la luz infrarroja”, dijo.

Esta capacidad de buscar estas galaxias de alto corrimiento al rojo es lo que le permitirá a Webb ver algunas de las primeras galaxias que se formaron en el universo muy joven. No es que Webb sea simplemente más poderoso que Hubble, sino que están observando diferentes partes del espectro electromagnético.

Esto se complica por el hecho de que la resolución de Webb cambia según la longitud de onda que mira. A longitudes de onda más largas, sus imágenes tienen una resolución más baja. Pero esta relación entre la longitud de onda y la resolución no es necesariamente mala para trabajar con imágenes de campo profundo.

“Funciona bien para la imagen de campo profundo porque en las longitudes de onda más largas, las galaxias que se detectan son realmente las más débiles o las que tienen mucho polvo, y es posible que, para empezar, no tengan mucha estructura”, dijo DePasquale. “Entonces, si están un poco menos resueltos, en realidad se ve muy natural en la imagen”.

Conocimiento científico y libertad creativa.

El trabajo de los procesadores de imágenes como DePasquale suele ser la primera forma en que los miembros del público interactúan con la ciencia espacial, por lo que es importante que sea preciso y atractivo. Eso requiere un grado de confianza entre los científicos que realizan la investigación y los procesadores que presentan ese trabajo al público.

Pero en su experiencia, dice, la mayoría de los científicos están encantados de ver su trabajo traducido a imágenes en color. “En este momento de mi carrera, llegué al punto en que tengo libertad creativa para crear una imagen hermosa, pero la gente confía en que conozco la ciencia lo suficientemente bien como para poder crear una imagen en color hermosa que también dice una historia científica”, dijo DePasquale.

La reacción a las primeras imágenes de James Webb fue un buen ejemplo. No solo los expertos espaciales se han emocionado al ver el potencial de este nuevo telescopio; miembros del público de todo el mundo también se han sorprendido al ver estas nuevas y fascinantes vistas del cosmos.

Esto es solo el comienzo de lo que veremos de Webb, con muchas más imágenes del telescopio que se compartirán en los próximos meses.

DePasquale dice que la reacción del público a las primeras imágenes es todo lo que esperaba. “Ha sido increíble verlo. Están literalmente en todas partes. Se exhibieron en Times Square, de todos los lugares. Ha sido increíble”.