NASA’nın sadece James Webb Uzay Teleskobu’nun, hayranlık uyandıran derin bir gökada alanından uzaktaki bir ötegezegenin atmosferinin bir dakikalık karakterizasyonuna kadar ilk görüntü setini ortaya çıkardı. Fakat bir milyon mil uzaktaki bir uzay aracı, düzinelerce gigabayt veriyi Dünya’ya nasıl geri getirir?
Önce görüntülerin kendilerinden bahsedelim. Bunlar sadece fabrikada üretilen .jpg’ler değil – ve Webb sadece sıradan bir kamera değil.
Herhangi bir bilimsel alet gibi, Webb de aletlerinden tonlarca ham veri toplar ve gönderir, iki yüksek hassasiyetli yakın ve orta kızılötesi sensör ve onları spektroskopi, koronografi ve diğer görevler için uzmanlaştırın ihyaç olduğu gibi.
Örnek olarak doğrudan karşılaştırmalı olarak yakın zamanda yayınlanan ilk görsellerden birini ele alalım.
megapiksel yarışı
Geleneksel bir görünür ışık teleskopuyla daha çok karşılaştırılabilir olan Hubble, 2008’de Carina Bulutsusu’nun bu görüntüsünü aldı:
Tabii ki bu inanılmaz bir görüntü. Ancak Hubble, geleneksel bir görünür ışık teleskopuyla daha karşılaştırılabilir ve daha da önemlisi, 1990’da piyasaya sürüldü. O zamandan beri teknoloji biraz değişti!
İşte aynı bölgenin Webb versiyonu:
Resim Kredisi: NASA, ESA, CSA, STScI
Webb sürümünün sahip olduğu herhangi bir görüntüleyici için açıktır. uzak Bu küçük versiyonlara bakıldığında bile daha fazla ayrıntı. Bulutsunun bulanık dokusu, karmaşık bulut oluşumlarına ve kümelere dönüşüyor ve daha fazla yıldız ve muhtemelen galaksiler net ve görünür durumda. (Yine de Hubble görüntüsünün kendine has bir çekiciliği olduğunu burada belirtelim.)
Yakalanan ayrıntı düzeyini vurgulamak için merkezin hemen solunda ve yukarısında bir bölgeyi yakınlaştıralım:
Resim Kredisi: NASA, ESA, CSA, STScI
Olağanüstü, değil mi? Ancak bu detayın bir bedeli vardır: veri!
Hubble görüntüsü yaklaşık 23,5 megapikseldir ve sıkıştırılmamış halde 32 megabayt ağırlığındadır. Webb görüntüsü (işleme sonrası kullanıma sunulduğu şekliyle) 123 megabayt ve yaklaşık 137 megabayttır. Bu, verilerin beş katından fazla, ama bu bile tüm hikayeyi anlatmıyor. Webb’in spesifikasyonları, Hubble’dan 25 kat daha fazla veri göndermesini sağlıyor – sadece daha büyük görüntüler değil, daha fazlası… 3.000 kat daha uzakta.
Uzun mesafe görüşmesi
Hubble, yüzeyden yaklaşık 340 mil yukarıda, alçak bir Dünya yörüngesinde. Bu, onunla iletişimin gerçekten oldukça basit olduğu anlamına gelir – telefonunuz çok daha uzaktaki GPS uydularından güvenilir bir şekilde sinyal alır ve NASA’daki bir bilim insanının bu kadar yakın bir yörüngedeki bir uyduya bilgi aktarması çocuk oyuncağıdır.
Öte yandan JWST, ikinci Lagrange noktasında veya L2’de, Dünya’dan yaklaşık milyon mil uzakta, doğrudan güneşten uzakta. Bu, Ay’ın ulaşabileceği mesafenin dört katı ve bazı açılardan çok daha zor bir önerme. İşte NASA’dan bu yörüngenin nasıl göründüğünü gösteren bir animasyon:
Neyse ki bu tür bir iletişim emsalsiz olmaktan uzaktır; çok uzaklardan büyük miktarda veri gönderdik ve aldık. Webb ve Dünya’nın herhangi bir zamanda tam olarak nerede olacağını biliyoruz, bu yüzden önemsiz olmasa da, gerçekten sadece iş için doğru araçları seçmek ve çok dikkatli planlama yapmakla ilgili.
Webb, en başından beri, 25.9 gigahertz aralığında, diğer uydu iletişimleri için kullanılan aralıklara, Ka bandı radyo dalgaları üzerinden iletmek üzere tasarlandı. (Örneğin Starlink, Ka’nın yanı sıra o bölgedeki diğerlerini de kullanır.)
Bu ana radyo anteni saniyede yaklaşık 28 megabit gönderme yeteneğine sahiptir ve bu, evdeki geniş bant hızlarıyla karşılaştırılabilir – yönlendiricinizden gelen sinyalin dizüstü bilgisayarınıza ulaşması için bir milyon mil boşluktan geçmesi yaklaşık beş saniye sürdüyse.
Mesafelerin anlaşılması için tamamen açıklayıcıdır – nesneler açıkça ölçeklenmemelidir.
Bu, ona günde yaklaşık 57 gigabayt aşağı bağlantı kapasitesi verir. Alt S-bandında çalışan ikinci bir anten var – şaşırtıcı bir şekilde, Bluetooth, wi-fi ve garaj kapısı açıcıları için kullanılan aynı bant – yazılım güncellemeleri, telemetri ve sağlık kontrolleri gibi düşük bant genişliğine sahip şeyler için ayrılmış. Ayrıntılarla ilgileniyorsanız, IEEE Spectrum’un harika bir makalesi var bu konuda daha fazla ayrıntıya giriyor.
Ancak bu sadece sabit bir akış değildir, çünkü elbette Dünya döner ve diğer olaylar araya girebilir. Ancak, çoğunlukla bilinen değişkenlerle uğraştıkları için, Webb ekibi temas sürelerini dört veya beş ay önceden planlayarak verileri Derin Uzay Ağı üzerinden aktarıyor. Webb, verileri yakalayıp aynı gün gönderiyor olabilir, ancak hem yakalama hem de iletim çok çok önceden planlanmıştı.
İlginç bir şekilde, Webb dahili olarak yalnızca yaklaşık 68 gigabayt depolama alanına sahiptir, bu da 57 gönderebilse insanları tedirgin edeceğini düşünürdünüz – ancak bu verileri boşaltmak için fazlasıyla fırsat var, bu yüzden o korkunç “sürücüyü asla almayacak” dolu” mesajı.
Ama sonunda gördüğünüz, sıkıştırılmamış 123 megabaytlık büyük TIFF görüntüsü bile, uydunun gördüğü gibi değil. Aslında, bizim anladığımız şekliyle rengi tam olarak algılamıyor bile.
“Verilerin renkle gösterilmesine izin verilmesi”
Sensörlere gelen veriler, insanların görebileceği dar renk bandının ötesinde olan kızılötesindedir. Bu bandın dışını görmek için pek çok yöntem kullanıyoruz, örneğin x-ışınları, yakalayıp görebileceğimiz şekilde bir filme veya onları algılamak için kalibre edilmiş dijital sensöre çarptırarak görüntülediğimiz röntgenler. Webb için de durum aynı.
“Teleskop aslında bir bas-çek kamerası değildir. Yani sadece bir fotoğraf çekebileceğimiz gibi değil ve işte orada, değil mi? Bilimsel bir araçtır. Bu yüzden her şeyden önce bilimsel sonuçlar üretmek için tasarlandı” dedi. Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü’nden Joe DePasquale, bir NASA podcast’inde açıkladı.
Bu yan yana karşılaştırma, NASA’nın Webb Teleskobu’ndan Güney Halka Bulutsusu’nun solda yakın kızılötesi ışıkta ve sağda orta kızılötesi ışıkta gözlemlerini gösteriyor.
Tespit ettiği şey, doğrudan algılamak şöyle dursun, insanların ayrıştırabileceği gerçek veriler değildir. Birincisi, dinamik aralık çizelgelerin dışındadır – bu, en karanlık ve en açık noktalar arasındaki büyüklük farkı anlamına gelir. Temelde uzayın sonsuz boşluğundan daha karanlık ve patlayan bir güneşten çok daha parlak bir şey yoktur. Ancak, her ikisini de içeren, saatlerce çekilmiş bir görüntünüz varsa, verilerde karanlık ve aydınlık arasında muazzam deltalar elde edersiniz.
Şimdi, gözlerimiz ve beynimiz oldukça iyi bir dinamik aralığa sahip, ancak bu onları sudan çıkarıyor – ve daha da önemlisi, bunu göstermenin gerçek bir yolu yok.
DePasquale, “Aslında içinde beyaz benekler olan siyah bir görüntüye benziyor, çünkü çok büyük bir dinamik aralık var,” dedi. “Verileri esnetme adı verilen bir şey yapmalıyız ve bu, piksel değerlerini almak ve temelde onları yeniden konumlandırmaktır, böylece orada olan tüm detayları görebilirsiniz.”
Herhangi bir şekilde itiraz etmeden önce, öncelikle, tüm görüntülerin temelde bu şekilde yaratıldığı bilinmelidir – spektrumun bir seçimi, çok yetenekli ama aynı zamanda sınırlı görsel sistemimiz tarafından görüntülenmek üzere kesilir ve uyarlanır. Kızılötesinde göremediğimiz ve bu frekanslarda kırmızı, mavi ve yeşilin eşdeğeri olmadığı için, görüntü analistleri, verilerin nesnel kullanımını, algının ve aslında güzelliğin öznel anlayışıyla birleştiren karmaşık işler yapmak zorundadır. Renkler, dalga boylarına benzer bir sırayla karşılık gelebilir veya belki de benzer “görünen” ancak çılgınca farklı radyasyon yayan daha mantıksal olarak vurgulanan bölgelere bölünebilir.
“Biliyorsunuz, astrofotografideki görüntüleme topluluğunda bu sürece eskiden dendiği şey yerine ‘temsili renk’ olarak atıfta bulunmayı seviyoruz, birçok insan hala ‘yanlış renkli görüntüler’ diyor. ‘Sahte renk’ teriminden hoşlanmıyorum, çünkü bizim onu taklit ettiğimizi çağrıştırıyor, ya da bilirsiniz, aslında göründüğü gibi değil, veri veri. İçeri girip, resmin üzerine renk boyamak gibi uygulama yapmıyoruz. Baştan sona verilere saygı duyuyoruz. Ve verilerin renkle ortaya çıkmasına izin veriyoruz.”
Yukarıdaki görüntüye, bulutsunun iki görüntüsüne bakarsanız, bunların aynı açıdan, aşağı yukarı aynı zamanda, ancak IR tayfının farklı bölümlerini yakalayan farklı enstrümanlar kullanılarak alındığını düşünün. Sonuçta her ikisinin de RGB’de gösterilmesi gerekse de, daha yüksek dalga boylarını inceleyerek bulunan farklı nesneler ve özellikler, bu tür yaratıcı ancak bilimsel olarak titiz renk atama yöntemiyle görünür hale getirilebilir.
Ve elbette, veriler görsel bir temsilden çok veri olarak daha faydalı olduğunda, ona bakmanın daha da soyut yolları vardır.
Resim Kredisi: NASA, ESA, CSA ve STScI
Uzaklardaki bir ötegezegenin görüntüsü bir noktadan başka bir şey göstermeyebilir, ancak bir spektrogram, hemen yukarıdaki bu örnekte görebileceğiniz gibi, atmosferinin ayrıntılarını ortaya koyar.
Webb gibi bir şeyin verilerini toplamak, iletmek, almak, analiz etmek ve sunmak karmaşık bir iştir, ancak yüzlerce araştırmacının artık çalışmaya başladığına göre neşeyle ve heyecanla kendilerini adadığı bir iştir. Bu bilgiyi göstermenin daha da yaratıcı ve büyüleyici yollarını tahmin edin – JWST bir milyon mil ötedeki görevine yeni başladığından, dört gözle bekleyeceğimiz çok şey var.