تصاویر جیمزوب؛ از اعداد خام تا دنیایی از رنگ و نور

به گزارش «تابناک» به نقل از ایسنا، به نقل از استار، اریک روزولوفسکی (Erik Rosolowsky) مانند یک کودک که در انتظار هدیه سال نو است، انتظار دریافت نخستین تصاویر تلسکوپ فضایی جیمز وب را می‌کشید تا در نهایت، جیمز وب شروع به ارسال تصاویری از یک کهکشان دور کرد. اریک این تصاویر را اولین بار به عمویش مایک نشان داد.

روزولوفسکی، استادیار فیزیک دانشگاه آلبرتا، در میان اولین پژوهشگران کانادایی بود که از بزرگترین تلسکوپ فضایی جهان برای رصد تشکیل ستارگان در کهکشان مثلث که با نام کهکشان مسیه ۳۳ نیز شناخته می‌شود، استفاده کردند.

روزولوسکی می‌گوید: زمانی که پروژه من در حال اجرا بود، به محض رسیدن اولین داده، آن‌ را از آرشیو بیرون ‌کشیدم و تصویری برای عمویم ارسال کردم و نوشتم عمو مایک! من و شما اولین افراد روی زمین هستیم که این تصاویر را می‌بینیم!

عموی مایک، اخترشناس آماتوری که در حیاط خلوت خانه‌اش به مطالعه ستاره‌ها می‌پرداخت، کسی است که برای اولین بار روزولوفسکی را در مسیری قرار داد که در نهایت، به دریافت تصاویری از یک کهکشان در فاصله دو میلیون سال نوری از زمین بوسیله یک تلسکوپ ۱۰ میلیارد دلاری ختم شد.

با این وجود تصویری که روزولوفسکی برای عمو مایک فرستاد، با تمام اهمیتی که برای آن‌ها داشت، با تصاویر تمام رنگی خیره‌کننده‌ای که ناسا برای مشاهده عموم منتشر کرد، بسیار متفاوت بود. در عوض، تصویری که عمو مایک مشاهده کرد چند حباب روشن را روی پس‌زمینه‌ای تیره که با نوارهایی پوشیده شده بود نمایش می‌داد.

این تصویر در تضاد کامل با تصویر معروف هابل از کهکشان مثلث، یا حتی تصویر نیمه پردازش‌شده وب توسط رزولوفسکی از این کهکشان است که هر دوی آن‌ها میلیون‌ها ستاره، بازوهای مارپیچی کهکشان و در دومی، برخی از مناطق متلاطم آن، جایی که ستاره‌ها متولد می‌شوند، دیده می‌شود.

تفاوت بین این تصاویر، نشان‌دهنده تلاش پژوهشگران برای ترجمه داده‌های خام از تلسکوپ جیمز وب به تصاویری است که اخترشناسان می‌توانند برای پژوهش از آنها استفاده کنند و تصاویری که عموم مردم از آنها شگفت زده شده‌اند.

در حقیقت، داده‌های اولیه رزولوفسکی که بخشی از یک تصویر نجومی واقعی است، به صورت کد در رایانه‌اش به نمایش درآمد و ظاهری شبیه به تصویر زیر داشت.

رزولوفسکی می‌گوید، آنچه که برای عمویش ارسال کرده، نگاهی سریع و آشفته به کهکشان مثلثی بوده است؛ اما پیش از آن که این تصاویر یا آن داده‌ها برای وی به عنوان یک پژوهشگر مفید باشند، باید اصلاح می‌شدند.

با وجود دقت زیادی که در طراحی و ساخت تلسکوپ جیمز وب وجود داشته، داده‌هایی که از آن به دست می‌آید، در حالت خام، دارای ایرادهایی هستند و این تصاویر باید برای رفع عیوب ذاتی دوربین این تلسکوپ، تصحیح شوند.

برخورد پرتوهای کیهانی به تلسکوپ می‌تواند در آشکارسازهای دوربین‌های آن ناپویایی و پارازیت ایجاد کند. مشکلی که تا حدودی با ثبت چندین نسخه از یک تصویر تصحیح می‌شود.

پیکسل‌ها نیز به عنوان کوچکترین واحدهای حساس به نور در آشکارسازهای تلسکوپ، حساسیت‌های متفاوتی دارند. به عنوان مثال، یکی از بیش از یک میلیون پیکسل در ابزار مادون قرمز میانی جیمز وب ممکن است نسبت به پیکسل هم‌جوار خود حساس‌تر باشد و نسبت به یکی دیگر از پیکسل‌ها حساسیت کمتری داشته باشد.

خوشبختانه، مهندسان تلسکوپ فضایی جیمز وب راه حلی برای این مشکل دارند و آن، یک نقشه کالیبراسیون کامل از نحوه جبران تفاوت در هر پیکسل در هر ابزار در تلسکوپ وب است.

روزولوسکی می‌گوید: راه‌اندازی تلسکوپ توسط صدها نفر انجام می‌شود. این کاری است که آنها در فضا انجام می‌دهند. زمانی که وب در نهایت روشن شد، ثبت تصاویر آغاز می‌شود و محققان این بار می‌پرسند چگونه همه‌ این اصلاحات را انجام دهیم؟ وی تأکید می‌کند، تنها کاری که باید انجام دهد این است که نقشه کالیبراسیون پیکسل جیمز وب را بر روی داده‌هایش اعمال کند تا تفاوت در حساسیت پیکسل‌ها در نظر گرفته شود.

اکثر پژوهشگران بسیاری از این کارهای فنی را به طور کلی «خط لوله» (the pipeline) می‌نامند. اگر این فرآیند را یک بزرگراه پردازش داده در نظر بگیرید، داده‌های خام دریافتی از جیمز وب هنگام حرکت از مبدا به مقصد، در آن پالایش می‌شوند.

در طول این بزرگراه، برخی از ماژول‌های پردازش نرم‌افزار ممکن است اصلاحاتی را بر روی داده‌ها بر اساس ناسازگاری یا انحراف در آشکارسازها اعمال کنند، برخی دیگر ممکن است اصلاحاتی را بر اساس کالیبراسیون‌ها خود دوربین‌ها اعمال کنند، و برخی دیگر ممکن است داده‌های چند نوردهی را در تصاویر واحد ترکیب کنند.

اما این بزرگراه همچنین دارای مجموعه‌ای از خروجی‌ها است که محققان می‌توانند اطلاعات خود را در مراحل اولیه پردازش برای استفاده‌های خاص‌تر استخراج کنند.

رزولوفسکی، برخی از داده‌های خام نزدیک‌تر به ابتدای خط لوله را می‌خواست. وی می‌گوید: خیلی خوب است که مورد جالبی برای ارسال به یکی از عزیزان خود داشته باشید، اما پژوهشگران از تصاویر زیبا استفاده نمی‌کنند. بسیاری از فعالیت‌های من با استفاده از داده‌های خام و عددی انجام می‌شود. تصاویر زیبا برای تفسیر و ساختن و روایت داستان فوق‌العاده هستند؛ اما پس از آن، پشتیبانی از آن داستان، نیازمند انجام پردازش رایانه‌ای است تا دریابیم چگونه می‌توان هر ستاره را در این تصویر اندازه‌گیری کرد، در مورد آن اطلاعات کسب کرد و از آن برای پشتیبانی از نظریه خود استفاده کرد.

وی افزود: بخش عمده‌ فعالیت‌ من برنامه‌نویسی است، بنابراین من در حال نوشتن کدهای رایانه‌ای هستم که این بخش بزرگ از اعداد را دریافت می‌کند و به مشخصه‌های مربوط به ستاره‌ها تبدیل می‌کند.

این موقعیت برای آلیسا پگان (Alyssa Pagan) متفاوت است. او که به عنوان یک توسعه‌دهنده تصاویر علمی با ناسا کار می‌کند، یکی از افرادی است که مسئولیت پردازش تصاویر خیره کننده تلسکوپ وب که برای عموم منتشر می‌شود را بر عهده دارد.

در واقع، تصویر "صخره‌های کیهانی" سحابی کارینا، به عنوان یکی از پنج تصویر اولیه منتشر شده از تلسکوپ وب، اولین تصویر از وب بود که پگان روی آن کار کرد.

وی درباره کار بر روی اولین تصاویر از وب می‌گوید: مسحور کننده بود. صادقانه بگویم، از همان ابتدا برای من بسیار زیبا بود. این حقیقت که شما یکی از اولین افرادی هستید که تصویر را دیدید و آن را پردازش و برای عموم منتشر کردید یک افتخار بزرگ بود.

در مورد پگان، تصاویری که او شروع به کار بر روی آنها کرد، از پایین‌تر بخش خط لوله بازیابی شدند در حالی که اکثر نقص‌ها و فرآیندها از قبل روی آن انجام شده بود.

در واقع، تصویر نهایی سحابی کارینا با ترکیب شش تصویر تک رنگ که با شش فیلتر مختلف ثبت شده بود، ساخته شد. هر کدام از این تصاویر سحابی را در طول موج‌های مادون قرمز متفاوتی نشان می‌داد. اما تصاویر خامی که او شروع به کار روی آنها کرد چندان قابل مشاهده نبودند و تنها چند لکه سفید در یک میدان تاریک، بدون جزئیات را نمایش می‌داد.

علت آن این بود که محدوده دینامیکی دوربین‌های جیمز وب یعنی تفاوت بین سیاه‌ها و سفیدها در تصاویر حتی برای مانیتور رایانه پیشرفته پگان نیز بسیار زیاد بود. اطلاعات و جزئیات قسمت‌های تاریک تصویر وجود داشتند، اما مانیتور او قادر به درک آن‌ها نبود.

راه حل این بود که این محدوده دینامیکی فشرده‌ شود به این معنا که سیاه و سفیدها به هم نزدیکتر شود به طوری که در محدوده مانیتور او قرار بگیرد. به این کار «منبسط کردن» تصویر می‌گویند.

پس از این فرآیند، پگان توانست جزئیات را در تصاویر ببیند که شامل ستاره‌های کم نورتر و ابری از غبار و گاز بود که مشخصه یک سحابی هستند. اما او همچنان مجموعه‌ای از تصاویر سیاه و سفید نگاه می‌کرد و مرحله بعدی تعیین رنگ برای هر یک از آن تصاویر بود. کاری که به صورت تصادفی انجام نمی‌شود.

آنچه ما انسان‌ها به عنوان نور مرئی درک می‌کنیم، بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیسی است، بخشی که چشمان ما به آن حساس است. مغز ما رنگ‌های مایل به آبی را به انتهای این طیف مرئی که نور در آن طول موج‌های کوتاه‌تری دارد، اختصاص می‌دهد. در انتهای دیگر آن، جایی که طول موج‌ها طولانی‌تر هستند، رنگ‌های مایل به قرمز دیده می‌شود.

در دو طرف این طیف، طول موج‌هایی وجود دارد که چشم ما نمی‌تواند آنها را تشخیص دهد، اما در برخی موارد، حیوانات دیگر یا ابزارهای طراحی شده خاص می‌توانند آن‌ها را رصد کنند.

تلسکوپ فضایی وب در محدوده طیف مادون قرمز کار می‌کند. بخشی که از آنچه ما می‌بینیم، خارج است. رصد اجرام در این طیف از نظر نجوم مزایایی دارد. نور مادون قرمز اغلب می‌تواند از میان ابرهای غبار و گاز که مانع گذر نور مرئی هستند، عبور کند.

این بدان معناست که برای دیدن آنچه وب مشاهده کرده است، باید از هر تصویر نمایی در طیف مرئی ایجاد کرد و برای افزودن رنگ به این تصاویر، پگان تقریباً از قوانین یکسانی که مغز ما دارد، پیروی کرد. به طول موج‌های کوتاه‌تر رنگ‌های مایل به آبی اختصاص داده شد و طول موج‌های طولانی‌تر به رنگ‌های مایل به قرمز در آمدند.

وقتی این کار انجام شد، او توانست آن تصاویر رنگی با یکدیگر ترکیب کند تا یک تصویر واحد تمام رنگی بسازد.

پگان می‌گوید: اینجاست که موضوع کاملاً وابسته به تحلیل فرد می‌شود. ما در این فرآیند با دانشمندان کار می‌کنیم تا مطمئن شویم که داده‌ها را تا حد امکان به نمایش در آورده‌ایم و تا حد امکان در مورد آن‌ها صادق بوده‌ایم. ما به تنظیم تناژ، کنتراست، رنگ و همه این موارد می‌پردازیم تا ویژگی‌های هر فیلتر را به نمایش بگذاریم. پگان با کار در فتوشاپ، تصویر را بهینه کرد تا هم از نظر ظاهری و هم از نظر علمی دقیق باشد.

در روز ۱۲ ژوئیه، تصویر سحابی کارینا توسط ناسا منتشر شد و علاقه‌مندان به نجوم و دانشمندان را شگفت زده کرد. بسیاری از این افراد دهه‌ها منتظر بودند تا اعماق کیهان را از چشمان قدرتمندترین تلسکوپ ساخته شده ببینند.

تلسکوپ جیمز وب که ساخت آن برای ناسا نزدیک به ۱۰ میلیارد دلار هزینه به همراه داشته، یکی از گران‌ترین پلتفرم‌های علمی است که تا به حال ساخته شده است.

این تلسکوپ فضایی که در روز ۲۵ دسامبر ۲۰۲۱، مصادف با چهارم دی ماه سال ۱۴۰۰ به فضا پرتاب شد و در ماه ژانویه به مدار مورد نظر خود در نقطه‌ لاگرانژ ۲ رسید، اکنون در فاصله‌ ۱.۵ میلیون کیلومتری از سیاره ما قرار دارد. وب چندین ماه را صرف آماده‌سازی ابزار خود کرد و در نهایت اولین تصاویر رسمی و تمام رنگی، طی دو روز در تاریخ ۲۱ و ۲۲ تیر منتشر شد. ‌