Cómo el telescopio espacial James Webb creará imágenes del universo antiguo

En diciembre de 1995, El Telescopio Espacial Hubble pasó 10 días consecutivos observando una pequeña región del cielo.

Con más de 100 horas de tiempo de exposición y 342 exposiciones separadas, el telescopio capturó una de sus imágenes más famosas e importantes: una imagen del espacio profundo que reveló casi 3000 galaxias antiguas que se remontan al universo primitivo.

El Northern Deep Field del Hubble fue un gran logro en la fotografía del espacio profundo. Desde entonces, las cosas han mejorado.

Con el reciente lanzamiento de Telescopio espacial James Webbe (JWST), los astrónomos podrán observar regiones ocultas en el espacio. JWST está diseñado para detectar luz fuera del rango visible, produciendo imágenes de los objetos más débiles y lejanos. Pero esto presenta sus propios desafíos: ¿Cómo representa lo que el ojo humano no puede ver? ¿Cómo convertir varias instantáneas en una imagen cohesiva?

Si bien esperamos lanzar las primeras imágenes de JWST este verano, inverso habla con jonathan mcdowell, astrofísico del Centro de Astrofísica y del Centro de Rayos X Chandra que ha trabajado extensamente en Observatorio de rayos X Chandra una tarea.

Chandra, lanzado en 1999, mira el universo en rayos X, que está lejos de lo que nuestros ojos pueden ver, pero es donde brillan cosas como los agujeros negros y otros objetos altamente energéticos. Al igual que Chandra, JWST observará el universo en longitudes de onda más allá de lo que el ojo humano puede ver. En el caso de JWST, es infrarrojo, que muestra objetos calientes. Aunque las longitudes de onda están muy lejanas, presentan desafíos similares al tomar esos datos y crear una imagen científicamente útil, y que se pueda manipular para presentarla al público.

McDowell nos ayudó a analizar cómo se capturó, reveló y procesó una imagen espacial para producir el asombroso resultado que vemos.

Paso 1: Apunte el telescopio

El primer cuerpo celeste fotografiado fue la Luna.

En 1840, el físico británico John William Draper capturó la superficie de la luna desde su observatorio de superficie en la Universidad de Nueva York. La Luna está a solo 238,855 millas de la Tierra. Pero hoy, los telescopios espaciales pueden tomar fotografías de objetos a millones de años luz de distancia.

“Lo primero que tienes que hacer es apuntar el telescopio en la dirección correcta”, dice McDowell. inverso.

Esto por sí solo puede ser engañoso porque los telescopios espaciales siguen una determinada órbita y viajan a gran velocidad. Para saber en qué dirección apuntar, los astrónomos primero deben saber dónde se encuentran actualmente.

Hay pequeños telescopios auxiliares que toman fotografías de las estrellas y, utilizando esa información sobre dónde están las estrellas familiares, pueden determinar en qué dirección están apuntando actualmente en el cielo.

Luego, utilizando las coordenadas del objeto objetivo, los astrónomos apuntarán el telescopio en su dirección.

Paso 2: Calibración

Antes de que el telescopio capture la imagen, se dedica mucho tiempo a la calibración. Cuando la cámara está calibrada, dice McDowell, que trabajó en el Observatorio de rayos X Chandra que fotografía algunos de los fenómenos más energéticos del universo, hay algunas líneas de base importantes.

“A veces pasamos la mitad de nuestro tiempo tomando fotografías de cosas que ya conocemos”, dice McDowell. “Tomaremos fotografías para verificar la sensibilidad de la cámara, asegurarnos de que la geometría de la cámara sea correcta o tomar una fotografía de la constelación donde sepa qué tan separadas están las estrellas y eso le indica la escala de una imagen”.

Diferentes longitudes de onda permiten a los científicos ver diferentes partes del universo, revelando los intrincados detalles del gas caliente que se desplaza desde una explosión de supernova.

Si los telescopios solo hubieran visto el universo en luz visible, esta luz tiene longitudes de onda cortas, lo que significa que es más probable que rebote en las partículas circundantes y se disperse. Pero cuando se observa el universo en luz infrarroja, las longitudes de onda más largas se abren camino a través del gas y el polvo de manera más efectiva y permiten a los astrónomos buscar más en el universo.

Paso 3: ¡Chasquido!

Después de apuntar correctamente el telescopio en la dirección correcta, la luz cae en el telescopio y en la cámara. La tecnología de la cámara del telescopio es similar a la que se encuentra en nuestros teléfonos o en las cámaras digitales, según McDowell.

“La luz cae sobre la cámara y, si la luz es más roja, tiene más energía”, dice McDowell. “Y toma imágenes separadas en rojo, verde y azul y luego las combina para hacer una imagen en color”.

En lugar de usar una cámara convencional para este propósito, Hubble registra los fotones de luz entrantes a través de un Cargando el dispositivo a un lado (Convención de Lucha contra la Desertificación).

CCD no mide el color de la luz entrante, pero los telescopios tienen filtros que se pueden aplicar para permitir que solo entre un cierto rango o color de la longitud de onda de la luz. Luego, Hubble tomará fotografías del mismo objeto a través de diferentes filtros, que se combinarán para crear una imagen completa.

Paso 4: Editar

Para tener una imagen satelital lista para el público en general, los astrónomos deben realizar algún procesamiento. La mayoría de los objetos en el espacio emiten colores que son demasiado débiles para ser vistos por el ojo humano. A veces, los científicos tienen que asignar colores a filtros que el ojo humano no puede ver.

Para una imagen del Hubble de Nebulosa Ojo de GatoEn este estudio, los científicos mapearon la radiación roja, azul y verde de los átomos de hidrógeno, los átomos de oxígeno y los iones de nitrógeno, ninguno de los cuales aparece en el espectro visible. En nuestra opinión, la diferencia entre los tres tipos de radiación eran tres longitudes de onda estrechas de rojo que son indistinguibles para el ojo humano.

Paso 5: Dale contexto

Una imagen de satélite sin ningún dato es solo una imagen. Pero los científicos usan estas imágenes para recopilar datos sobre objetos cósmicos.

“Así que ahora tienes un marco que es solo una imagen, pero sin contexto”, dice McDowell. “Tienes que aplicar hacia dónde apuntaba la nave espacial, qué tamaño tiene la nave espacial y qué correcciones tienes que hacer a la sensibilidad de los datos dependiendo quizás de hoy, cuando la cámara esté un grado más fría que ayer”.

Esto se hace para proporcionar contexto a la imagen que ve.

“Toda esta información contextual debe aplicarse para brindarle una imagen científicamente útil en lugar de cualquier imagen”, dice McDowell.

“No es sólo una imagen bonita”, añade. “Es una imagen hermosa a partir de la cual puedes medir números”.