Jak powstają zapierające dech w piersiach, nasycone barwami fotografie odległych, ciemnych lub w ogóle niewidzialnych obiektów położonych wiele lat świetlnych od Ziemi? Jak widzi kosmos sam teleskop Hubble’a? Jak naprawdę wyglądają gazowe mgławice czy wybuchy supernowych nieuzbrojonym okiem? Możliwość podglądania najskrytszych sekretów Wszechświata zawdzięczamy zarówno rozwojowi techniki, jak i ciężkiej pracy artystów.

Hubble_historia1

Foto: flickr / NASA Goddard Space Flight Center / CC

 

Warto na samym początku zaznaczyć, że ludzkie oko nie jest w stanie zarejestrować pełnego widma elektromagnetycznego, ani wszystkich zakresów światła. Teleskop Hubble’a (HST – Hubble Space Telescope) przechwytuje o wiele większą liczbę informacji, niż nasze oczy są w stanie zaobserwować, a mózg przetworzyć. Graficy, którzy zajmują się obróbką zdjęć dla NASA, odpowiadają za odpowiednie odwzorowanie kolorystyki przestrzeni kosmicznej tak, abyśmy mogli je swobodnie obejrzeć, a także aby były one atrakcyjniejsze przy wykorzystywaniu ich do celów marketingowych lub szkoleniowych.

Hubble_historia

Foto: NASA / ESA / SAO / CXC / JPL-Caltech / STScI

Odpowiedzialnym za projekt, rozwój i konstrukcję urządzenia zostało Centrum Marshalla. Z kolei Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda przejęło kontrolę nad instrumentami badawczymi i naziemnym centrum dowodzenia. Najważniejsze zadanie, czyli zaprojektowanie i wyprodukowanie optyki, zlecono firmie Perkin-Elmer oraz Fine Guidancer Sensors. Z kolei Lockheed zajął się budową statku kosmicznego, w którym umieszczono teleskop.

Perkin-Elmer, zajmując się zwierciadłem wraz z odpowiednimi systemami optycznymi, musiał brać pod uwagę jeden istotny fakt. W przeciwieństwie do typowych zwierciadeł, ze względu na szerokie spektrum wykonywanych obserwacji (od ultrafioletu aż po podczerwień), to montowane w teleskopie musiało być wykonane z dokładnością do 10 nanometrów (około 1/65 długości światła czerwonego). Firma korzystała przy tym z systemów komputerowego wspomagania obróbki. Odpowiadały one za integrację fazy projektowania i wytwarzania oraz stanowią do dziś jeden z elementów zintegrowanego wspomagania produkcji. NASA, w razie ewentualnych problemów z nową technologią, zapobiegawczo zamówiła od Kodaka zapasowe zwierciadło, polerowane tradycyjnymi metodami.

20 maja 1990 roku teleskop zarejestrował „pierwsze światło”. Nie trudno się domyślić, że był to wielki dzień dla pracujących przy teleskopie inżynierów i astronomów. Mówi się nawet o początku nowej ery w dziejach astronomii. Wybór pierwszego do sfotografowania obiektu padł na gromadę otwartą NGC 3532. Wykorzystano do tego szerokokątną kamerę WF/PC. Obraz nie był zachwycający, ale najważniejsze, że teleskop oraz wszystkie skomplikowane mechanizmy zadziałały. Jednak wśród osób odpowiedzialnych za przedstawienie obrazu pojawił się niepokój. Pracownicy zauważyli, że zwierciadło ma niewłaściwy kształt. Problem polegał na aberracji sferycznej. Zdjęcia przesyłane na Ziemię były nieostre, rozmazane, a rozdzielczość urządzenia była daleka od zakładanej. Działo się tak, ponieważ główne lustro okazało się być odkształcone. Co ciekawe, wielkość tego odkształcenia wynosiła zaledwie jedną pięćdziesiątą grubości ludzkiego włosa. Naukowcy musieli czekać 3 lata, kiedy to wysłano misję serwisową i dokonano pierwszej w historii naprawy teleskopu w przestrzeni kosmicznej.

Teleskop pomógł w rozwikłaniu kwestii, które od wielu lat zastanawiały astronomów, dostarczył również wielką ilość danych, których wyjaśnienie wymaga nowych teorii. Obserwacje, jakich dokonał Hubble uważa się za przełomowe, pomagające astronomom lepiej rozumieć fundamentalne problemy astrofizyki.

Hubble_historia3

Foto: NASA / ESA / SAO / CXC / JPL-Caltech / STScI

Światło, które wpada do teleskopu, jest ogniskowane w wyniku współdziałania dwóch zwierciadeł hiperbolicznych. Zwierciadło główne, na które w pierwszej kolejności pada obraz, ma średnicę 240 cm, a zwierciadło wtórne, które zbiera obraz przesłany przez większe z luster, ma średnicę 34 cm. Oba zostały wykonane z niespotykaną dotychczas dokładnością, wynoszącą jedynie 10 nanometrów. Całość zamknięta jest w dość sporym cylindrze o średnicy 4,2 m i długości 13,2 m.

Światło odbite od mniejszego z luster kierowane jest wzdłuż teleskopu do jednego z licznych urządzeń badawczych. Początkowo teleskop Hubble’a miał ich pięć, jednak astronauci podczas pierwszej misji naprawczej musieli usunąć jeden z przyrządów, aby możliwe stało się zamontowanie układu korygującego optykę urządzenia. Pierwotnie teleskop posiadał następujące instrumenty badawcze: dwie kamery, dwa spektrografy oraz fotometr HSP. To właśnie ten ostatni przyrząd musiał ustąpić miejsca układowi korygującemu. Pierwsza kamera (FOC) była przeznaczona do szczegółowej analizy niewielkich obiektów i ciał niebieskich. Druga z kamer (WF/CP) pozwalała na fotografowanie dużych obszarów przestrzeni kosmicznej. Spektrografy odpowiadały za badanie składu chemicznego odległych gwiazd, planet i galaktyk, jednak podczas kolejnych misji serwisowych teleskopu stopniowo wymieniano je na coraz nowocześniejsze. Dziś teleskop dysponuje bardzo nowoczesnymi urządzeniami, takimi jak kamera rejestrująca obraz w podczerwieni NICMOS (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph), czy też spektrograf obrazujący STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph).

Teleskop umożliwia przesyłanie na Ziemię ogromnej ilości danych np. zdjęć wykonanych w bliskiej podczerwieni i bliskim nadfiolecie. Hubble komunikuje się z Ziemią za pomocą sieci satelitów geostacjonarnych TDRSS. Z reguły transmisje przeprowadzane są raz na dobę, kiedy to teleskop znajduje się w zasięgu działania anten kierunkowych. Wszystkie zebrane dane przesyłane są do wojskowej bazy White Sands, a stamtąd do Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda koło Waszyngtonu. Centrum odpowiada za poprawną pracę teleskopu i jego sterowanie, natomiast dane naukowe trafiają do Instytutu Teleskopu Kosmicznego w Baltimore.

Fotografie, które trafiają na Ziemię są czarno-białymi plikami RAW. Plik w formacie RAW uważa się  w świecie fotoamatorów za cyfrowy odpowiednik klasycznego negatywu, a jego konwersję za wywoływanie. Zawiera trzy ośmiobitowe warstwy (razem 24 bit) dla kolorów zielonego, niebieskiego i czerwonego, dające razem kombinację 16 milionów kolorów. Hubble wysyła czarno – białe obrazy, zdecydowanie nie mieszczące się w gamucie przestrzeni kolorystycznej oka. To, co znajdziemy w danych z określonego ujęcia teleskopu zależy od tego, który z czujników zostanie użyty do obserwacji oraz który z filtrów zostanie obrócony na rewolwerowym uchwycie przed przesłonę kamery. 24 – bitową przestrzeń nie wypełniają informacje RGB, ale niedostępne dla wzroku długości fali.

Hubble_historia4

Foto: NASA / ESA / SAO / CXC / JPL-Caltech / STScI

W kamerze WFPC2 filtry są dostrojone do kolorów emisji różnych gazów, które w postaci zjonizowanej znaleźć można w mgławicach: niebiesko-zielony uwidacznia podwójnie zjonizowany tlen (O III), czerwony przepuszczający widmo neutralnego wodoru (H α ), czerwony do oglądania pojedynczo zjonizowanego azotu (N II), i niebieski do pojedynczo zjonizowanego helu (He II). ACS posiada wąskoprzepustowe filtry do obserwowania tlenu, emisji azotu i innych pierwiastków, ale nie tak dużo jak WFPC2. Dodatkowo, filtry ACS zostały wykonane specjalnie w celu obserwacji galaktyk z przesunięciem ku czerwieni.

Astrofizycy pracują na tych syntetycznych danych, którymi karmione są przez nich algorytmy komputerów. Dopiero po komputerowym modelowaniu zjawisk otrzymują „normalne” obrazy. Przed „kolorowaniem” zdjęć, graficy najczęściej muszą je złożyć z kilku pojedynczych kadrów odpowiedzialnych za różne spektra promieniowania elektromagnetycznego, gdzie każdy jest obrazem reprezentatywnym dla danego filtra – zakresu spektrum. Potrzebna jest spora wiedza astrofizyczna, aby w ogóle zrozumieć kolejne etapy obróbki danych z warstw nakładanych na siebie obrazów; np. jedna warstwa obrazowania cząstek daje nam wiedzę o temperaturze gazu w mgławicy, inna warstwa odpowiada za informacje ze spektrofotometru (skład chemiczny), a  inna zawiera informacje o zachodzących przemianach jądrowych. Przetworzone przy pomocy modelowania komputerowego obrazy nie tylko otrzymują kolorystykę i głębię, ale również stają się bardziej przejrzystym źródłem danych dla profesjonalistów. Praca grafików astrofizycznych jest bardzo skomplikowana, wymaga specjalistycznej wiedzy i zajmuje często po kilka godzin na jedno zdjęcie.

Hubble_historia2

Grafika: NASA Goddard Space Flight Center

Ludzkie oko jest zbudownae w taki sposób, że rejestruje obrazy tylko w ograniczonym zakresie promieniowania elektromagnetycznego. Rejestrujemy światło widzialne, ale nie jesteśmy w stanie dostrzec ultrafioletu, podczerwieni, czy promieniowania rentgenowskiego. Zdjęcia, które oglądamy, to zlepek wielu różnych widm. Zdecydowana większość mgławic czy galaktyk, które sfotografował teleskop Hubble’a, nie byłaby tak imponująca, gdyby na nie patrzeć ludzkim okiem. Właśnie dlatego  na pokładzie teleskopu zamontowano filtry, które przepuszczają światło o odpowiedniej długości fal. Dzięki temu graficy są w stanie dopasować odpowiednie barwy do zachodzących zjawisk. Można powiedzieć, że praca osób zajmujących się zdjęciami z teleskopu to „tłumaczenie” danych z urządzenia na formę bardziej „zrozumiałą” dla ludzkiego oka. Mamy jedynie nadzieję, ze dane przechodzące przez bazę wojskową i poligon doświadczalny Sił Powietrznych White Sands trafiają w niezmienionej formie do jednostek naukowo – badawczych…

 

Źródło: wp.pl, spacetelescope.org, NASA

Tagi: teleskop kosmiczny hubble’a, NASA, Goddard Space Flight Center, Marshall’s

Polecane: