تلسکوپ جیمز وب چطور از میلیون‌ها مایل دورتر تصاویر ارسال می‌کند؟

ناسا به تازگی اولین مجموعه تصاویر تلسکوپ فضایی جیمز وب، از یک میدان عمیق الهام بخش از کهکشان‌ها تا توصیف دقیق جو یک سیاره فراخورشیدی دوردست را فاش کرده است. اما چگونه یک فضاپیما در یک میلیون مایل دورتر ده‌ها گیگابایت داده را به زمین باز می‌گرداند؟

ابتدا اجازه دهید در مورد خود تصاویر صحبت کنیم. این‌ها JPEG نبوده و Webb یک دوربین معمولی نیست. مانند هر ابزار علمی، Webb مجموعه‌ای از داده‌های خام را از ابزار‌های خود، دو حسگر مادون قرمز نزدیک و میانی با حساسیت بالا و مجموعه‌ای از لوازم جانبی که می‌توانند آن‌ها را برای طیف‌سنجی، تاج‌نگاری و کار‌های دیگر در صورت نیاز تخصصی کنند، ضبط و ارسال می‌کند.

در اینجا ابتدا یکی از اولین تصاویر اخیرا منتشر شده را با مقایسه مستقیم به عنوان مثال در نظر می‌گیریم، هابل که بیشتر با تلسکوپ مرئی سنتی قابل مقایسه است، این تصویر را از سحابی کارینا در سال ۲۰۰۸ گرفت:

البته این یک تصویر باورنکردنی است. اما هابل با یک تلسکوپ سنتی مرئی قابل مقایسه بوده و مهمتر از آن در سال ۱۹۹۰ پرتاب شده است. فناوری از آن زمان تا حدودی تغییر کرده است!

برای هر بیننده‌ای واضح است که نسخه وب حتی با نگاه کردن به این نسخه‌های کوچک جزئیات بسیار بیشتری دارد. بافت گازی این سحابی به شکل‌های ابری پیچیده تبدیل می‌شود و ستاره‌ها و احتمالا کهکشان‌های بیشتری واضح و قابل مشاهده هستند. تصویر هابل حدود ۲۳.۵ مگاپیکسل است و وزن آن ۳۲ مگابایت فشرده نشده است. تصویر Webb (همانطور که در دسترس قرار گرفت) ۱۲۳ مگابایت و تقریبا ۱۳۷ مگابایت است. این بیش از پنج برابر داده است، اما حتی این نیز کل داستان را بیان نمی‌کند. مشخصات Webb نشان می‌دهد که داده‌ها را ۲۵ برابر بیشتر از هابل ارسال می‌کند، نه تنها تصاویر بزرگ‌تر، بلکه بیشتر از آن‌ها: از ۳۰۰۰ برابر دورتر.

از ابتدا، Webb برای انتقال امواج رادیویی از طریق باند Ka، در محدوده ۲۵.۹ گیگاهرتز، به خوبی به محدوده مورد استفاده برای سایر ارتباطات ماهواره‌ای طراحی شده بود. آنتن رادیویی اصلی قادر است حدود ۲۸ مگابیت در ثانیه ارسال کند که با سرعت پهنای باند خانگی قابل مقایسه است.

اگرچه این فقط یک جریان ثابت نیست، زیرا طبیعتا زمین می‌چرخد ​​و رویداد‌های دیگر ممکن است واسطه شوند. اما از آنجایی که آن‌ها با متغیر‌های عمدتا شناخته شده سروکار دارند، تیم وب زمان تماس خود را چهار یا پنج ماه قبل برنامه ریزی می‌کند و داده‌ها را از طریق شبکه فضای عمیق منتقل می‌کند. Webb ممکن است داده‌ها را جمع‌آوری و در همان روز ارسال کند، اما هر دو ضبط و انتقال از مدت‌ها قبل برنامه‌ریزی شده بودند.

جالب اینجاست که Webb تنها حدود ۶۸ گیگابایت فضای ذخیره‌سازی داخلی دارد و این گمان می‌رود که ارسال داده‌ها سال‌ها زمان ببرد، اما باید بدانید که فرصت کافی برای تخلیه این داده‌ها وجود دارد تا هرگز آن درایو وحشتناک را دریافت نکند.

داده‌هایی که وارد حسگر‌ها می‌شوند در مادون قرمز هستند که فراتر از نوار باریک رنگ‌هایی است که انسان می‌تواند ببیند. ما از روش‌های زیادی برای دید خارج از این باند استفاده می‌کنیم، به عنوان مثال پرتو‌های ایکس را به گونه‌ای دریافت کرده و می‌بینیم که می‌توانیم با برخورد آن‌ها با یک فیلم یا سنسور دیجیتال کالیبره‌شده برای شناسایی آن‌ها ببینیم، برای وب هم همینطور است.

تلسکوپ دوربین عکاسی نیست؛ بلکه یک ابزار علمی است، بنابراین قبل از هر چیز برای تولید نتایج علمی طراحی شده است. آنچه تشخیص می‌دهد واقعا داده‌ای نیست که انسان بتواند آن را تجزیه کند، چه رسد به اینکه مستقیما درک کند. برای یک چیز، محدوده دینامیکی خارج از نمودار است، این به معنای تفاوت در قدر بین تاریک‌ترین و روشن‌ترین نقاط است. اساسا هیچ چیز تیره‌تر از فضای خالی بی‌نهایت فضا و روشن‌تر از یک خورشید در حال انفجار نیست. اما اگر تصویری داشته باشید که شامل هر دو باشد و در طی چند ساعت گرفته شده باشد، در نهایت با دلتا‌های عظیمی بین تاریکی و روشنایی در داده‌ها مواجه می‌شوید.

اکنون، چشم‌ها و مغز ما محدوده دینامیکی بسیار خوبی دارند، اما این باعث می‌شود آن‌ها از آب بیرون بیایند - و مهمتر از آن، هیچ راهی واقعی برای نشان دادن آن وجود ندارد.

دو نما از سحابی را در نظر بگیرید که از یک زاویه، در زمان کم و بیش یکسان گرفته شده‌اند، اما با استفاده از ابزار‌های مختلف که بخش‌های مختلفی از طیف IR را می‌گیرند. اگرچه در نهایت هر دو باید در RGB نشان داده شوند، اشیاء و ویژگی‌های متفاوتی را که با بررسی طول‌موج‌های بالاتر یافت می‌شوند، می‌توان با این نوع روش تخصیص رنگ خلاقانه و در عین حال علمی دقیق قابل مشاهده کرد؛ و البته زمانی که داده‌ها بیشتر به عنوان داده مفید هستند تا نمایش بصری، راه‌های انتزاعی تری برای نگاه کردن به آن وجود دارد.

تصویری از یک سیاره فراخورشیدی دور ممکن است چیزی جز یک نقطه را نشان ندهد، اما طیف‌نگار جزئیات آشکاری از جو آن را نشان می‌دهد، همانطور که در این مثال بلافاصله در بالا مشاهده می‌کنید.

جمع‌آوری، انتقال، دریافت، تجزیه و تحلیل و ارائه داده‌های چیزی مانند Webb یک کار پیچیده است، اما کاری که صد‌ها محقق اکنون که راه‌اندازی شده است، با شادی و هیجان خود را وقف آن می‌کنند.