Резюме
- Космические телескопы улавливают невидимый свет, который преобразуется в единицы и нули для обработки на Земле.
- Специалисты тщательно обрабатывают необработанные данные с помощью файлов FITS для создания визуальных образов космических фотографий.
- Перевод необработанных данных в визуальные образы — это не редактирование, это необходимо для того, чтобы сделать невидимые аспекты пространства видимыми.
Мы все видели эти потрясающие космические фотографии в их яркой красе, но знаете ли вы, что они выглядят не так прямо из телескопа? Телескопы видят множество невидимого света и странного космического шума, которые нужно отредактировать и перевести в те знаковые изображения, которые мы все узнаем.
Как камеры превращают свет в изображения
Когда мы делаем снимок телефоном или цифровой камерой, он просто мгновенно выскакивает. Свет поступает с одного конца, и цветная картинка появляется на экране, как только вы нажимаете кнопку спуска затвора.
Это может показаться мгновенным, но эта фотография началась с длинного списка единиц и нулей. Когда вы нажимаете кнопку спуска затвора, ваш телефон преобразует экспозицию света, падающего на датчик камеры, в двоичный код (единицы и нули), а затем процессор телефона создает целое изображение из этих единиц и нулей.
Сначала он берет эту длинную строку из единиц и нулей и строит то, что называется «картой яркости в оттенках серого». Это создает различия между светом и тенью, или контрастность на изображении.
После нескольких очисток, фильтров и улучшений получается финальное изображение.
Телефону требуется доля секунды, чтобы совершить это математическое волшебство, так что мы никогда не увидим, как это происходит.
Теперь представьте, что двоичных данных было так много, что их невозможно было обработать за один раз одним процессором компьютера. Вместо этого пришлось вмешаться команде специалистов и ученых и тщательно заняться обработкой. Вот так эти космические телескопы выдают свои выходные данные.
Система доставки космического телескопа
В отличие от телефонных камер или цифровых фотоаппаратов, космические телескопы не настроены на свет, который мы все видим. Они фиксируют мир, который мы не можем увидеть глазами. Такие телескопы, как телескоп Джеймса Уэбба и Хаббл, могут «видеть» невидимый свет, тепло, излучение и слабые следы далеких частиц древней пыли и газа.
Космический телескоп Джеймса Уэбба улавливает этот невидимый свет, но не обрабатывает его на борту.
Телескоп просто превращает световые экспозиции в пакеты сырых двоичных данных (1 и 0) и передает их обратно на Землю. Эти пакеты не содержат никаких изображений, только оцифрованные значения темного и светлого в строке из 1 и 0 (и метаданные о координатах объекта и состоянии бортовых инструментов).
На Земле Институт космических телескопов (STScI) получает эти необработанные двоичные пакеты и преобразует их в машиночитаемый формат, называемый FITS. FITS или гибкая система передачи изображений — это стандарт для упаковки и организации астрономических данных, подобных этой.
Эти файлы FITS также не являются фактическими изображениями, это просто необработанные пиксельные данные, упорядоченные. Чтобы извлечь из них визуальную информацию, вам понадобятся программные инструменты, такие как FITS Liberator.
Используя FITS Liberator, вы можете извлечь визуальную информацию из этих необработанных массивов пикселей. Технически это называется «растягиванием» файла FITS.
Камера на борту телескопа Джеймса Уэбба имеет ряд физических фильтров, настроенных на очень узкие полосы невидимого света, о котором мы говорили. Некоторые фильтры хороши для улавливания определенных газов, другие — для обнаружения пыли. Выходные данные каждого фильтра упакованы в собственный файл FITS. Таким образом, один файл FITS соответствует одной экспозиции фильтра.
Вот последний кусочек головоломки: каждый файл FITS, изолированный фильтром, можно «растянуть» в снимок в оттенках серого (монохромный). Имея на руках всего три снимка, вы можете составить из них полноцветное изображение!
Давайте создадим космическую фотографию
Файлы FITS, о которых я говорил, на самом деле общедоступны в сети для скачивания любым желающим. Инструменты, необходимые для «растягивания» файлов FITS и создания композитов, также бесплатны. Поэтому я попытался самостоятельно составить изображение из этих космических данных.
Шаг №1: Загрузка необработанных данных
Архив Микульского для космических телескопов (или MAST) — это архив, в котором вы можете искать любые космические координаты или космические объекты, полученные с помощью телескопов «Хаббл», «Уэбб», TESS и некоторых других.
Я хотел создать образ Уэбба и выбрал в качестве объекта «Столпы Творения».
Закрыто
Поиск выдал более 100 файлов FITS. Эти необработанные наборы данных огромны. Мы говорим о 2–5 терабайтах данных, возможно, больше. Мне не хотелось в тот день поджаривать свой ПК, поэтому я решил работать только с 3 файлами, которые весили в общей сложности около 3 ГБ.
Закрыто
Прелесть этой системы в том, что вам не нужны все файлы FITS от каждого фильтра, чтобы сделать пригодный для использования композит. Каждый файл FITS помечен фильтром, из которого он был получен, так что вы можете взять один фильтр короткого, среднего и дальнего диапазона, растянуть их и сложить. Этого достаточно для базового композита.
Шаг №2: Растяжка FITS
Следующий шаг — «растягивание» файлов FITS. Для этого я установил FITS Liberator. Он создает изображения в оттенках серого, которые я позже сложу и раскрашу.
Закрыто
Я отрегулировал уровни яркости и темноты массива FITS, пока он не стал выглядеть правильно. Затем я экспортировал его как черно-белое изображение. Повторил те же шаги для двух других файлов FITS. Я уверен, что есть научный способ сделать это, но я просто на глазок.
Шаг №3: Композиция
Имея три свежеосвобожденных изображения Столпов Творения в оттенках серого, я был готов сшить их вместе.
То, что вы видите на этих черно-белых снимках, — это инфракрасный (невидимый свет) снимок этой туманности. Поскольку его нельзя увидеть невооруженным глазом, нам приходится «картографировать» или аппроксимировать цвет. Примерно так же, как тепловизионные очки показывают тепло красным, а холод синим, чтобы сделать эту информацию видимой.
Фильтры на борту космического телескопа Джеймса Уэбба, отвечающие за фильтрацию инфракрасного излучения на дальнем конце, имеют фиолетовый или синий оттенок. Фильтры ближнего инфракрасного диапазона становятся красными или оранжевыми. Фильтры среднего диапазона становятся зеленоватыми.
После того, как мы смоделировали эти цвета для каждого файла изображения, полученного из определенного фильтра, у нас будет три канала: красный, зеленый и синий. Складывая их вместе, мы получим изображение RGB.
Я перенес три монохромных изображения в Photoshop и раскрасил их. Смешал их вместе, и вот что получилось.
Если бы наши глаза могли видеть в инфракрасном диапазоне, Столпы Творения могли бы выглядеть примерно так. Обратите внимание на красное облако. Это небольшая часть Столпов. Звездное скопление в середине — NGC 6611.
Почему обработка необходима (и полезна)
Но где, вы можете спросить, остальные Столпы в моей композиции? В скачанном мной архиве MAST zip было 30 файлов FITS. Я обработал только 3 из них. В этих 27 файлах содержались остальные детали.
Это невероятно скрупулезный и кропотливый процесс, поскольку каждый фильтр должен обрабатываться по одному вручную. Потрясающие композиты, которые мы привыкли видеть, могут рендериться несколько недель, и для этого требуются команды специалистов и ученых, работающих в тандеме с использованием сложных инструментов для композитинга и доработки этих шедевров. Необработанные файлы могут содержать терабайты данных.
Теперь, когда вы можете оценить масштаб гениальности и преданности делу, стоящих за снимками НАСА, вы также легко поймете, почему эти фотографии так сильно обработаны.
То, что делают эти исследователи, не является редактированием в обычном смысле, это больше похоже на перевод. Телескоп излучает биты единиц и нулей, просто сырые данные, ничего больше, и их работа — «перевести» эти числа в визуальные образы.
Причина, по которой нам в первую очередь нужен этот перевод, заключается в том, что этот материал буквально невидимое для нас. Чтобы сделать невидимое видимым, нам нужно «растянуть» то, что телескоп уловил, в наш видимый диапазон.
Так что даже когда мы добавляем цвет в эти изображения, мы не изобретаем детали. Это просто способ создания визуального различия и интереса.
Плюс, это имеет научную ценность. Фильтры телескопа настроены на захват определенных материалов и элементов. Просто глядя на цветные композиты, астрономы могут считывать реальные химические сигнатуры.
Вот что делает эти шедевры аналитическими инструментами. Они могут ответить на такие вопросы, как какой газ есть какой, насколько он горячий или холодный, или каков возраст звезд.
Можно ли увидеть необработанные версии?
Да, можете. Они общедоступны в архивах NASA. Существует два типа файлов raw, к которым вы можете получить доступ. Первый тип — это файлы FITS (тип, который я использовал для создания своего композита), а второй тип — это слегка обработанные монохромные изображения raw.
В отличие от файлов FITS, для открытия которых требуются специальные инструменты, эти необработанные версии являются базовыми JPEG, которые были «растянуты», но не обработаны сверх этого. Каждая космическая миссия обычно передает сотни тысяч изображений за время своего существования, которые немедленно загружаются в архивы NASA. Окончательные обработанные изображения появляются через недели или даже месяцы, но эти «необработанные» версии становятся доступны общественности в течение нескольких часов.
Любой, у кого есть хорошее подключение к Интернету и цифровое хранилище, может получить доступ к этим необработанным файлам и воспроизвести их.
Почему некоторые космические фотографии «выглядят поддельными»
Возможно, вы слышали, как кто-то говорил, что фотографии НАСА не кажутся «реальными». Или вы сами могли оказаться в этой жуткой ситуации, когда цвета кажутся слишком яркими, детали слишком резкими, а формы слишком неузнаваемыми.
Если вы внимательно слушали, то уже знаете ответ на этот вопрос.
Эти картинки не поддельные, а переведенные. Причина, по которой они кажутся нам чуждыми, в том, что они таковыми являются. Само содержание невидимо, но оно было преобразовано в формат, понятный человеку.
Это не догадки. Цвета отображаются на физических фильтрах космического телескопа на основе частот света, которые они пропускают. Цвет — это не украшение, это аннотация. Думайте об этом как о выделении фрагмента текста цветом. Неоновый желтый просто делает его более заметным.
Таким образом, ответ на вопрос, как выглядят неотредактированные космические фотографии, может быть следующим: это просто единицы и нули, либо это слегка обработанные «растянутые» карты в оттенках серого.
