ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は最近、赤外線宇宙をこれまで以上に深く示した 深視野画像 など、 初の宇宙画像 で世界を驚かせました。
しかし、ただ宇宙の一部に望遠鏡を向けて写真を撮ることはできません。ウェッブが収集したデータは、一般に公開する前に赤外線から可視光に変換し、画像に処理する必要があります。
このデータを美しい画像に処理するのは、宇宙望遠鏡科学研究所のジョー・デパスクォール氏の仕事です。彼は、象徴的なディープフィールドを含む最初のジェームズ・ウェッブ画像のいくつかの処理を担当しました。彼は、この信じられないほどのデータを実現するために何が必要かを語った。
フィルターの回転ホイール
ブラックホールから系外惑星に至るまで、ジェームズ・ウェッブが観測するさまざまな種類のターゲットに関するデータを収集するには、その機器が赤外線内のさまざまな波長で測定値を取得できる必要があります。これを行うために、その機器には フィルターホイールが 装備されています。フィルターホイールは、それぞれ異なる波長の光を通過させる異なる素材のカルーセルです。
科学者は観察に使用する機器と波長を選択し、フィルターホイールが回転して対応する要素を機器のセンサーの前に置きます。このような複雑なテクノロジーに可動部品を導入することには常にリスクが伴いますが、ハッブル宇宙望遠鏡や宇宙望遠鏡などの他の宇宙望遠鏡でも同様のフィルターホイールが使用されているため、エンジニアはすでにこの種のハードウェアの操作に慣れています。チャンドラ X 線天文台。
「これらの宇宙船には可動部品が搭載されており、何年も機能し続け、すぐに飛行でき、耐放射線性も備えているというのは信じられないことです」とデパスカーレ氏は語った。
ウェッブがターゲットを観察するときは、まず 1 つのフィルターを使用して観察し、次に別のフィルターを使用し、さらに必要に応じてさらにフィルターを使用します。ウェッブ氏の最初のディープ フィールド画像では、6 つのフィルターを使用してデータが取得され、それぞれのフィルターで白黒画像が生成されました。各フィルターは 2 時間の露光に使用され、合計で合計 12 時間の観察時間となりました。
データが収集されると、前処理のために計測チームに送信されます。その後、デパスクワーレに届けられます。 「6 つの個別の画像が得られます。それぞれの画像は、撮影されたフィルターに対応しています」と彼は言いました。彼の仕事は、これら 6 枚の白黒画像を、私たちが賞賛したい宇宙の驚くべき画像の 1 つに変えることです。
黒と白を組み合わせて色を作る
DePasquale 氏は、研究者が選択したフィルターの数に応じてさまざまな数の画像を受け取り、それらを 1 つの画像に結合します。これらのフィルターからのデータをカラー チャネルにマッピングすることで、カラー イメージを作成します。この作業では、Adobe Photoshop などの汎用グラフィック編集ソフトウェアと、もともとアマチュア天体写真用に開発された PixInsight などの特殊な天文ソフトウェアを組み合わせて使用します。
フィルタはあらゆる種類の方法でチャネルにマッピングできますが、通常は、デジタル画像によく使用される赤、緑、青のチャネル (RGB) にマッピングすると DePasquale 氏は言います。
「RGB で何かを組み合わせると、通常、最も自然に見える画像が作成されます。これは、私たちの目の性質と光の認識方法によるものです」と彼は言います。 「私たちの目には、赤、緑、青の光に反応する錐体細胞があります。したがって、私たちの目はすでに世界をそのように解釈する準備ができています。」
深視野画像では、彼は 6 つのフィルター — F090W、F150W、F200W、F277W、F356W、および F444W (観察する波長にちなんで名付けられました) を使用し、2 つの最も短い波長のフィルターを青色に、2 つの中間波長のフィルターを組み合わせました。は緑色にフィルターされ、2 つの最も長い波長は緑色にフィルターされます。これらは、Adobe Photoshop のスクリーン ブレンド モードを使用して結合され、レイヤーを追加してカラー画像を作成します。
デパスクアーレ氏の同僚アリッサ・ペイガン氏が処理した カリーナ星雲 のウェッブ画像など、他の画像では、星雲のさまざまな特徴をすべて抽出するために、6 つの異なるフィルターのそれぞれに独自の色が割り当てられていました。しかし、それは深いフィールドではうまく機能しませんでした。
「各フィルターに独自の色を与えてみました」とデパスクワーレ氏は言います。 「それは素晴らしい画像を生み出す可能性がありますが、ディープフィールドの場合は実際にはうまく機能しませんでした。奇妙な色のアーチファクトが発生し、銀河が正常に表示されませんでした。そこでこのアプローチを採用したところ、より自然に見えるカラーイメージが得られました。」
より見栄えの良い画像
このため、画像処理作業には科学的な理解だけでなく芸術的なタッチも必要となります。プロセッサーの仕事は、データを正確に表現し、視覚的に魅力的な画像を作成することです。
さまざまなフィルターからのデータが結合されると、DePasquale は画像のカラー レベルを調整して魅力的なものを作成しますが、その方法は天文学的な原理に基づいています。ウェッブの深視野画像に関しては、特定の渦巻銀河を白い基準点として使用し、空の空白部分を灰色の背景として使用することに基づいて色を調整しました。
「深い視野の画像や、背景に多くの銀河がある画像がある場合、私のアプローチは一般的に、正面を向いた渦巻銀河を画像全体の白い基準点として使用することです。」と彼は説明しました。
「それは、正面を向いた渦巻銀河では、最年少の星から最古の星まで、星の集団全体が表示され、星の内部で可能なすべての色が表現されるからです」と彼は述べた。 「つまり、私たちは若い星の明るい青から、年老いた黄色がかった星、そしてその間のすべてのものに移ります。したがって、それを白の基準点として使用すると、全体的に非常にバランスの取れた画像が得られます。」
深いフィールドの様子
これまでのところ、深視野画像を作成できる天文台はハッブルとウェッブの 2 つだけです。ハッブルは可視光線の範囲で動作し、ウェッブは赤外線で動作しますが、どちらも空の薄暗い部分にある遠くの銀河の眺めを撮影しています。それぞれのディープフィールドの外観を比較して、それらがどのように異なるかを確認するのは興味深いです。
ウェッブからの画像は、ハッブルなどの他の望遠鏡からの画像と比較して、独自の独特の外観を持っています。これは、特徴的な 8 つの尖った回折スパイクを備えた明るい星が現れる様子で最も顕著です。これは ウェッブ鏡の形状 によるもので、望遠鏡で撮影した画像に固有のものです。
しかし全体として、デパスクワーレ氏は、ウェッブが収集した画像とハッブルが収集した画像の間で全体的な一貫性を目指すと述べた。結局のところ、データの収集方法に関係なく、画像化されるオブジェクトは似ています。
深視野画像に関しては、「それは私が長年取り組んできたことです」とデパスクワーレ氏は言います。 「だから、私はそれがどのようなものであるべきかについて直感的な感覚を持っています。そして私は、正面を向いた渦巻銀河には特定の外観があり、遠くの汚れには特定の色合いがあり、その間にあるものはすべて自然に見えるはずであることを知っています。」
赤外線の哲学
ウェッブとハッブルの大きな違いの 1 つは、ウェッブはハッブルよりもさらに遠くの銀河を見ることができ、これらの銀河の多くは非常に遠いため、その光が私たちに届くまでに非常に長い時間がかかることです。この間に宇宙が膨張しているため、この光は赤方偏移と呼ばれるプロセスで可視光の波長から赤外線にシフトします。
これは難問を引き起こします。赤方偏移のために私たちの目には見えないが、もしそれが私たちの前にあれば可視光を発しているであろう銀河を、画像プロセッサはどのように表示すべきでしょうか?ウェッブ深層領域にはそのような赤方偏移した銀河がたくさんあり、画像内の比較的近くにある主な銀河団も同様に赤方偏移しています。
「この銀河団はすでに 45 億光年も離れているので、この画像の色について哲学的な議論をする人もいるでしょう。したがって、技術的には赤方偏移する必要があります。これは見た目よりもずっと赤いはずです」とデパスクワーレ氏は言いました。
しかし、彼は代わりに、赤方偏移を軽減し、より多くの情報を提供するためにより広い範囲の色を使用する方法でデータを表示することを選択しました。
「画像全体を赤くする代わりに、この画像に見える渦巻銀河を白い参照点にして、銀河団が黄色ではなく白になるようにしましょう」と彼は言いました。 「そして、その背後にある他のすべてのものから色の情報を取得します。したがって、本当に本当に遠くにある銀河は、この画像では赤い点として表示されており、近くにある他の銀河はそれほど赤くありません。」
ウェッブの物語
このアプローチは、観察者が深層領域の銀河の多様性を見るのに役立つだけでなく、ウェッブの特別な能力を強調することにもなります。
「ウェッブの話は、遠方の銀河が見えるということですが、ハッブルは赤外線に赤方偏移したため、もはや見えなくなるということです」と彼は語った。
これらの高赤方偏移銀河を探すこの能力により、ウェッブは非常に若い宇宙で形成された最も初期の銀河のいくつかを観察できるようになります。ウェッブが単にハッブルよりも強力であるということではなく、むしろ、彼らが電磁スペクトルの異なる部分に注目しているということです。
これは、ウェッブの解像度が観察する波長に基づいて変化するという事実によって複雑になります。波長が長くなると、画像の解像度が低くなります。しかし、この波長と解像度の関係は、深視野画像を扱う場合には必ずしも悪いことではありません。
「これは深視野画像にうまく機能します。なぜなら、最長波長では、検出している銀河は実際には暗い銀河か、本当に塵に覆われた銀河であり、そもそも大きな構造を持たない可能性があるからです」とデパスカーレ氏は述べた。 「つまり、解像度が少し低いとしても、画像では実際には非常に自然に見えます。」
科学的知識と創造的自由
DePasquale のような画像プロセッサの仕事は、多くの場合、一般の人々が宇宙科学に取り組む最初の方法であるため、正確で魅力的なものであることが重要です。それには、研究を行う科学者とその研究を一般に公開する処理者との間にある程度の信頼が必要です。
しかし彼の経験によれば、ほとんどの科学者は自分の研究がカラー画像に変換されるのを見て喜んでいるという。 「私のキャリアの現時点では、私は美しい画像を作成するための創造的な自由が与えられているところまで来ていますが、人々は私が科学を十分に知っているので、物事を伝える美しいカラー画像を作成できると信じています。科学的な話だ」とデパスクワーレ氏は語った。
最初のジェームズ・ウェッブの画像に対する反応はその好例でした。この新しい望遠鏡の可能性に興奮しているのは宇宙専門家だけではありません。世界中の一般の人々も、この魅力的な新しい宇宙の眺めを見て驚いています。
これはウェッブから見えるもののほんの始まりにすぎず、今後数か月間にわたって望遠鏡からのさらに多くの画像が共有される予定です。
デパスクワーレ氏は、最初の画像に対する世間の反応は彼が望んでいたすべてだったと語る。 「見るのはすごかったよ。彼らは文字通りどこにでもいます。それらはあらゆる場所の中でも特にタイムズスクエアに展示されました。信じられないほど素晴らしかったよ。」