Είναι ψεύτικες οι εικόνες του James Webb; - Τι απαντά o διευθυντής του Ινστιτούτου Αστροφυσικής του ΙΤΕ

Τον περασμένο Ιούλιο είδαμε τις πρώτες έγχρωμες εικόνες του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb, σωστά; Ένα αστρικό φυτώριο που αποκαλύπτει προηγουμένως αόρατα αστέρια, την ατμόσφαιρα ενός γιγάντιου εξωπλανήτη της οποίας η χημική σύσταση αποκαλύφθηκε, μια ομάδα γαλαξιών, ένα όμορφο πλανητικό νεφέλωμα και τη βαθύτερη εικόνα του σύμπαντος που έχει καταγραφεί ποτέ. Πολύ ωραίες, ε; Ήταν όμως αληθινές; Φυσικά και ήταν! Ήταν ακριβώς όπως τις τράβηξε το Webb με τον ίδιο τρόπο όπως θα βγάζαμε μια φωτογραφία με το κινητό μας; Όχι, καθόλου!

Μπορεί να δείχνει αυτονόητο, αλλά αυτές δεν είναι συνηθισμένες φωτογραφίες. Είναι οπτικοποιήσεις φυσικών φαινομένων! Και αυτά τα φαινόμενα καταγράφονται ως φωτόνια - κομμάτια φωτεινής ενέργειας - σε πολύ ευαίσθητα ηλεκτρονικά κυκλώματα, ένα εκατομμύριο μίλια μακριά από εμάς, εκεί όπου βρίσκεται το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, γνωστό και με τα αρχικά JWST. Οι διάφοροι αισθητήρες στο τηλεσκόπιο Webb, οι ψηφιακές του κάμερες, μετρούν αυτή την ενέργεια και στέλνουν αυτά τα δεδομένα πίσω στη γη, όπου μετά από εκτενή επεξεργασία μετατρέπονται σε πολύχρωμες εντυπωσιακές εικόνες.

Η όλη διαδικασία μπορεί να δημιουργεί υποψίες ότι οι εικόνες που έχουμε μπροστά στα έκπληκτα μάτια μας δεν αντιστοιχούν σε κάτι που υπάρχει πραγματικά εκεί, αλλά είναι τελείως ψεύτικες. Η αλήθεια όμως είναι πιο ενδιαφέρουσα: «Ακριβώς όπως κάθε σύνολο δεδομένων, οι μετρήσεις του φωτός που εκπέμπουν ουράνια αντικείμενα από το κοντινό ή μακρινό σύμπαν μπορούν να τροποποιηθούν. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τεχνικές που επιτρέπουν να γίνει πιο απτό ένα φυσικό φαινόμενο  μεταφέροντας χρήσιμες πληροφορίες, όπως ακριβώς οι οικονομολόγοι που με μια απλή γραφική παράσταση μιας ανοδικής καμπύλης μας θυμίζουν πόσο γρήγορα αυξάνεται ο πληθωρισμός!» εξηγεί στο Dnews. ο καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και Διευθυντής του Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας, κ. Βασίλης Χαρμανδάρης, και συνεχίζει:

 «Για τους επιστήμονες, εν προκειμένω τους αστροφυσικούς, η πειραματική μέτρηση και ειδικότερα η αβεβαιότητα που υπάρχει στην τιμή της είναι αυτή που τους βοηθά να διαμορφώσουν άποψη για το πώς λειτουργεί ο κόσμος που μας περιβάλει. Είναι αυτή που τους επιτρέπει να απορρίψουν, ή όχι, μια θεωρία εάν οι προβλέψεις δε συμφωνούν ή αντίθετα είναι συνεπείς με τη συγκεκριμένη μέτρηση. Τα χαρακτηριστικά των επιστημονικών οργάνων, όπως το μέγεθος του κατόπτρου του τηλεσκοπίου James Webb  ή το πόσο μικρό είναι το κάθε pixel στις κάμερές του, καθορίζουν τα όρια των μετρήσεων, δηλαδή,  πόσο αμυδρό μπορεί να είναι το αντικείμενο που θα φωτογραφίσουμε και πόσο ευκρινής θα είναι η εικόνα του».

«Μια εικόνα χίλιες λέξεις»

Αδιαμφισβήτητα κάθε εικόνα που δίνουν τα τηλεσκόπια έχει  επιστημονική αξία. Για παράδειγμα η εικόνα που μας έδωσε το τηλεσκόπιο Hubble to 1995 παρατηρώντας επί 22 ημέρες και νύχτες μια πολύ μικρή περιοχή του ουρανού, ενός εκατοστού του μεγέθους του φεγγαριού, η οποία βρίσκεται στον αστερισμό της Μεγάλης Άρκτου, και είναι γνωστή ως το «βαθύ πεδίο» μπορεί να μοιάζει με ένα απλό σύνολο από σχεδόν 10.000 μικροσκοπικά νεφελώματα, αλλά είναι πολύ σημαντική. «Στην ουσία μας αποκάλυψε πολλούς και πάρα πολύ μακρινούς γαλαξίες που μέχρι τη στιγμή που την αποκτήσαμε, δεν γνωρίζαμε εάν υπήρχαν. Τώρα, το JWST χάρη στο μέγεθός του, στη μεγαλύτερη ευαισθησία του και στην πολύ πιο προηγμένη τεχνολογία των οργάνων του το επιβεβαίωσε. Το έκανε μάλιστα παρατηρώντας το φως που εκπέμπεται σε υπέρυθρα μήκη κύματος τα οποία δεν επηρεάζονται από την ύπαρξη σκόνης στους μακρινούς αυτούς γαλαξίες», προσθέτει ο Καθηγητής.

Σύμφωνα με τον Έλληνα επιστήμονα αυτή η διαφορά είναι αρκετά σημαντική καθώς οι αισθητήρες του Hubble σχεδιάστηκαν κυρίως για να κοιτάζουν το οπτικό φάσμα του φωτός (μήκη κύματος που μπορεί να δει το ανθρώπινο μάτι), όμως το JWST συλλαμβάνει επίσης υπέρυθρο φως που τα ανθρώπινα μάτια δεν μπορούν να δουν. Επιπλέον, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, προκαλείται μετατόπιση του φωτός που εκπέμπεται από τα πιο μακρινά αντικείμενα που απομακρύνονται από εμάς προς ένα μεγαλύτερο ή «πιο κόκκινο» μήκος κύματος. Έτσι το JWST μπορεί να δει μερικά από τα παλαιότερα αντικείμενα στο σύμπαν επειδή ακριβώς μπορεί να ανιχνεύσει αυτό το υπέρυθρο φως.

Για να τα μετατρέψουν όμως το υπέρυθρο «αόρατο» στα μάτια μας φως  σε κάτι που μπορούμε να δούμε, οι επιστήμονες πρέπει να επιλέξουν πώς θα το αντιστοιχίσουν στα χρώματα του ουράνιου τόξου, με τα οποία είμαστε όλοι εξοικειωμένοι.

Είναι τελικά fake οι εικόνες;

Όλες οι έγχρωμες εικόνες στην αστρονομία αλλά και σε άλλους τομείς της φυσικής είναι πρακτικά «ψεύτικες». Στηρίζονται στο γεγονός ότι το κάθε χρώμα μπορεί να δημιουργηθεί ως συνδυασμός των τριών βασικών χρωμάτων (μπλε, πράσινο και κόκκινο). Στην οθόνη του υπολογιστή μας ή σε μια ψηφιακή τηλεόραση, ένα pixel τυπικά έχει τιμές από 0 (εάν είναι χωρίς καθόλου φως) έως 255 (μέγιστη φωτεινότητα). Το κάθε χρώμα προκύπτει από τον συνδυασμό τριών μικρών pixels ένα μπλε, ένα πράσινο και ένα κόκκινο, με διαφορετική το καθένα φωτεινότητα, τα οποία μπορούμε να τα διακρίνουμε εάν πάμε πολύ κοντά στην οθόνη. Το σύνολο των δυνατών χρωμάτων που μπορούμε να δημιουργήσουμε έτσι είναι 256x256x256, δηλαδή σχεδόν 16,7 εκατομμύρια. Αυτά είναι υπεραρκετά αφού με το μάτι βλέπουμε περίπου 10 εκατομμύρια χρώματα.

«Όλες οι αστρονομικές εικόνες, και φυσικά και του JWST, είναι αρχικά ασπρόμαυρες φωτογραφίες μιας περιοχής του ουρανού (πχ ένός γαλαξία) όπου η μεγάλη τιμή του κάθε pixel αντιστοιχεί σε πολύ φως και η μικρή σε λιγότερο φως. Αν όμως φωτογραφίσουμε τον ίδιο γαλαξία με τρία διαφορετικά φίλτρα, σε διαφορετικά μήκη κύματος του φωτός το οποίο εκπέμπεται εξαιτίας ενός συγκεκριμένου αλλά διαφορετικού φυσικού φαινομένου (πχ νέα αστέρια, ιονισμένο αέριο, ή γερασμένα αστέρια) τότε μπορούμε την κάθε μια από τις τρεις φωτογραφίες να την αντιστοιχήσουμε στο μπλε, στο πράσινο και στο κόκκινο χρώμα του υπολογιστή και έτσι να δημιουργήσουμε μια έγχρωμη φωτογραφία του γαλαξία αυτού. Επιπλέον (εάν τα τρία φίλτρα είχαν επιλεγεί όπως αναφέραμε) τα χρώματα της φωτογραφίας μας λένε ξεκάθαρα ποιοι φυσικοί μηχανισμοί κυριαρχούν σε κάθε περιοχή του αυτού του γαλαξία», περιγράφει ο Καθηγητής Χαρμανδάρης, συμπληρώνοντας ότι αυτή η απεικόνιση δεν είναι μοναδική, καθώς μπορούμε να έχουμε πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς και τελικές εικόνες που καμιά δεν είναι «λανθασμένη»!

Αυτό που κάνει τις εικόνες διαφορετικές είναι αυτό που προσπαθούν να επικοινωνήσουν οι δημιουργοί τους. Για παράδειγμα αν ζούσαμε στο Λονδίνο μια καθαρή μέρα, θα μπορούσαμε να δούμε τη γέφυρα του Τάμεση από το παράθυρό μας που συχνά καλύπτεται από την ομίχλη. Με μια απλή κάμερα υπερύθρων, θα μπορούσαμε να κοιτάξουμε μέσα από την ομίχλη και να παραγάγουμε παρόμοιες εικόνες της ομίχλης ή της γέφυρας πίσω από αυτήν. Αυτές οι επιλογές είναι καθοριστικές όταν φωτογραφίζουμε τόσο μακρινά αντικείμενα των οποίων το φως κάνει εκατομμύρια έτη να φθάσει σε εμάς. Έτσι οι αστρονόμοι λειτουργούν σαν τους ιμπρεσιονιστές ζωγράφους στα τέλη του 19ου αιώνα που προσπαθούν να επικοινωνήσουν συγκεκριμένα ευρήματα στο κοινό τους, διεγείροντας παράλληλα τον ενθουσιασμό και άλλα συναισθήματα.  

Υπάρχει φυσικά και ένας άλλος πιο «πρακτικός» λόγος που θέλουν οι αστρονόμοι να διεγείρουν τη φαντασία των ανθρώπων. «Το τηλεσκόπιο James Webb κόστισε περίπου 10 δισεκατομμύρια δολάρια, επομένως η NASA πρέπει να αποδείξει στους φορολογούμενους πολίτες ότι το “αστρονομικό” αυτό ποσό και οι καθυστερήσεις στην κατασκευή και λειτουργία του τηλεσκοπίου άξιζαν τον κόπο. Ένα σωρό γκρίζες εικόνες με δεδομένα σίγουρα δεν θα γίνονταν viral στα social media, σε αντίθεση με τις  εικόνες που τελικά διαμοιράστηκαν και ήταν συναρπαστικές!», σημειώνει ο Έλληνας αστροφυσικός.

Το να εξάπτεται  η φαντασία των ανθρώπων και να γίνεται σαφές σε όλους ότι το νέο «παιχνίδι» της NASA λειτουργεί, είναι ένα επιπλέον κίνητρο. Αρκεί να αφιερώσει κάποιος ένα μόλις λεπτό για να δει τους «κοσμικούς γκρεμούς» και να θαυμάσει το  αποτέλεσμα της άψογης συνεργασίας της Επιστήμης με την Τέχνη.