في ديسمبر 1995 ، أمضى تلسكوب هابل الفضائي 10 أيام متتالية محدقًا في منطقة صغيرة واحدة من السماء.
مع أكثر من 100 ساعة من وقت التعرض و 342 تعرضًا منفصلاً ، التقط التلسكوب واحدة من أكثر صوره شهرةً وأهمية: صورة للفضاء السحيق كشفت عن ما يقرب من 3000 مجرة قديمة تعود إلى بدايات الكون.
كان حقل هابل العميق الشمالي إنجازًا كبيرًا في التصوير الفوتوغرافي في الفضاء السحيق. ومنذ ذلك الحين ، تحسنت الأمور.
مع الإطلاق الأخير لـ تلسكوب جيمس ويب الفضائيe (JWST) ، سيتمكن علماء الفلك من النظر إلى المناطق المخفية في الفضاء. تم تصميم JWST لاكتشاف الضوء خارج النطاق المرئي ، مما ينتج عنه صورًا لأضعف الأجسام وأبعدها. لكن هذا يمثل تحدياته الخاصة: كيف تمثل ما لا تستطيع العين البشرية رؤيته؟ كيف يمكنك تحويل عدة لقطات إلى صورة متماسكة؟
بينما نتوقع إطلاق صور JWST الأولى هذا الصيف ، معكوس تحدث مع جوناثان ماكدويل، عالم فيزياء فلكية في مركز الفيزياء الفلكية ومركز شاندرا للأشعة السينية الذي عمل على نطاق واسع في مرصد شاندرا للأشعة السينية مهمة.
تشاندرا ، التي تم إطلاقها في عام 1999 ، تنظر إلى الكون في الأشعة السينية ، وهو بعيد عما يمكن أن تراه أعيننا ، ولكنه المكان الذي تتألق فيه أشياء مثل الثقوب السوداء والأجسام الأخرى شديدة النشاط. مثل Chandra ، سوف ينظر JWST إلى الكون بأطوال موجية خارج ما يمكن للعين البشرية رؤيته. في حالة JWST ، إنها الأشعة تحت الحمراء ، والتي تُظهر الأجسام الساخنة. على الرغم من أن الطول الموجي بعيدان جدًا ، إلا أنهما يمثلان تحديات مماثلة في أخذ تلك البيانات وإنشاء صورة مفيدة علميًا – ويمكن معالجتها لتقديمها للجمهور.
ساعدنا ماكدويل في تحليل كيفية التقاط صورة فضائية وتطويرها ومعالجتها لإنتاج النتيجة المذهلة التي نراها.
الخطوة 1: توجيه التلسكوب
كان أول جرم سماوي تم تصويره هو القمر.
في عام 1840 ، التقط الفيزيائي البريطاني جون ويليام دريبر سطح القمر من مرصده الموجود على السطح في جامعة نيويورك. القمر على بعد 238،855 ميلاً فقط من الأرض. لكن اليوم ، التلسكوبات الفضائية قادرة على التقاط صور لأجسام تقع على بعد ملايين السنين الضوئية.
يقول ماكدويل: “أول شيء عليك القيام به هو توجيه التلسكوب في الاتجاه الصحيح” معكوس.
هذا وحده يمكن أن يكون خادعًا لأن التلسكوبات الفضائية تتبع مدارًا معينًا ، وتنتقل بسرعة عالية. من أجل معرفة الاتجاه الذي يجب الإشارة إليه ، يتعين على علماء الفلك أولاً معرفة مكانهم الحالي.
هناك تلسكوبات صغيرة مساعدة تلتقط صورًا للنجوم ، وباستخدام تلك المعلومات الخاصة بمكان النجوم المألوفة ، يمكنهم بعد ذلك معرفة الاتجاه الذي يشيرون إليه في السماء حاليًا.
ثم باستخدام إحداثيات الجسم المستهدف ، سيوجه علماء الفلك التلسكوب في اتجاهه.
الخطوة 2: المعايرة
قبل أن يلتقط التلسكوب الصورة ، يتم قضاء الكثير من الوقت في المعايرة. يقول ماكدويل ، الذي عمل في مرصد شاندرا للأشعة السينية الذي يصور بعض أكثر الظواهر نشاطًا في الكون ، أنه عند معايرة الكاميرا ، هناك بعض الخطوط الأساسية المهمة.
يقول ماكدويل: “نقضي أحيانًا نصف وقتنا في التقاط صور لأشياء نعرف عنها بالفعل”. “سنلتقط صورًا للتحقق من حساسية الكاميرا ، أو نتأكد من صحة هندسة الكاميرا ، أو نلتقط صورة لمجموعة النجوم حيث تعرف مدى تباعد النجوم وهذا يخبرك بمقياس صورة.”
تسمح الأطوال الموجية المختلفة للعلماء برؤية أجزاء مختلفة من الكون ، وكشف التفاصيل المعقدة للغاز الساخن الذي ينتقل من انفجار مستعر أعظم.
إذا كانت التلسكوبات قد شاهدت الكون فقط في الضوء المرئي ، فإن هذا الضوء له أطوال موجية قصيرة مما يعني أنه من المرجح أن يرتد عن الجسيمات المحيطة وينتشر. ولكن عند مراقبة الكون في ضوء الأشعة تحت الحمراء ، فإن الأطوال الموجية الأطول تشق طريقها عبر الغاز والغبار بشكل أكثر فاعلية وتسمح لعلماء الفلك بالبحث عن المزيد في الكون.
الخطوة 3: التقط!
بعد توجيه التلسكوب بشكل صحيح في الاتجاه الصحيح ، يسقط الضوء في التلسكوب وعلى الكاميرا. تشبه تقنية كاميرا التلسكوب تلك الموجودة في هواتفنا أو في الكاميرات الرقمية ، وفقًا لماكدويل.
يقول ماكدويل: “يسقط الضوء على الكاميرا ، وإذا كان الضوء أكثر احمرارًا ، فإن له طاقة أكبر”. “وتلتقط صورًا منفصلة باللون الأحمر والأخضر والأزرق ثم تجمعها معًا لتكوين صورة ملونة.”
بدلاً من استخدام الكاميرا التقليدية لهذا الغرض ، يسجل هابل فوتونات الضوء الواردة من خلال a شحن الجهاز إلى جانب (اتفاقية مكافحة التصحر).
لا يقيس CCD لون الضوء الوارد ، لكن التلسكوب به مرشحات يمكن تطبيقها للسماح فقط بدخول نطاق أو لون معين من الطول الموجي للضوء. سوف يلتقط هابل بعد ذلك صورًا لنفس الكائن من خلال مرشحات مختلفة ، والتي سيتم دمجها معًا لإنشاء صورة واحدة شاملة.
الخطوة 4: تحرير
للحصول على صورة فضائية جاهزة لعامة الناس ، يتعين على علماء الفلك القيام ببعض المعالجة. تصدر معظم الكائنات في الفضاء ألوانًا باهتة جدًا بحيث لا يمكن للعين البشرية رؤيتها. في بعض الأحيان ، يضطر العلماء إلى تخصيص ألوان لمرشحات لا يمكن رؤيتها بالعين البشرية.
للحصول على صورة هابل الخاصة بـ سديم عين القط، قام العلماء بتعيين الأحمر والأزرق والأخضر للإشعاع من ذرات الهيدروجين وذرات الأكسجين وأيونات النيتروجين – لا يظهر أي منها في الأطياف المرئية. في نظرنا ، كان الاختلاف بين أنواع الإشعاع الثلاثة هو ثلاثة أطوال موجية ضيقة من اللون الأحمر لا يمكن تمييزها بالعين البشرية.
الخطوة 5: أعطه السياق
الصورة الفضائية بدون أي بيانات هي مجرد صورة. لكن العلماء يستخدمون هذه الصور لجمع البيانات عن الأجسام الكونية.
يقول ماكدويل: “إذن لديك الآن إطار هو مجرد صورة ، ولكن بدون سياق”. “يجب عليك تطبيق المكان الذي كانت تشير إليه المركبة الفضائية ، وما هو حجم المركبة الفضائية ، وما التصحيحات التي يجب عليك إجراؤها على حساسية البيانات اعتمادًا على ربما اليوم ، حيث تكون الكاميرا أكثر برودة بدرجة واحدة مما كانت عليه بالأمس.”
يتم ذلك لتوفير سياق للصورة التي تراها.
يقول ماكدويل: “يجب تطبيق كل هذه المعلومات السياقية لمنحك صورة مفيدة علميًا بدلاً من أي صورة”.
ويضيف: “إنها ليست مجرد صورة جميلة”. “إنها صورة جميلة يمكنك قياس الأرقام منها.”
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”