Wszechświat jest bardzo kolorowy, ale te kolory często wymyślają sami astronomowie

Na benchmarku już poruszałem temat postrzegania wszechświata, który nie do końca jawi się nam takim jakim naprawdę w danej chwili jest. Rosnąca liczba atrakcyjnych wizualnie i barwnie zdjęć z teleskopu kosmicznego Webb (ostatnio jest on obiektem nieastronomicznej dyskusji) prowokuje do dokładniejszego zastanowienia się nad kwestią kolorów kosmosu. Bo to, że jest ono kolorowy nie ulega wątpliwości. Trzeba jednak pamiętać, że sporo z tych kolorów wymyślili astronomowie. Dlaczego? Bo inaczej wielu zdjęć, takich jak słynne Filary Stworzenia, które doczekały się kolejnej, kompozytowej wersji, nie bylibyśmy w stanie zobaczyć, a nasze monitory wyświetlić. Stanowi ono połączenie zdjęcia wykonanego w bliskiej podczerwieni jak i średniej podczerwieni przez teleskop Webb.

To zdjęcie jest połączeniem obrazu Filarów Stworzenia, które zarejestrowała kamera NIRCam oraz MIRI.

Jaki kolor ma niebo? Za dnia to wiadomo, a nocą?

Najpierw jednak krótkie i wydaje się proste pytanie. Jaki kolor ma niebo? Wiemy, że za dnia to niebo przyjmuje różne barwy, ale najczęściej są to różne odcienie niebieskiego. Powodem jest rozpraszanie światła słonecznego w atmosferze, któremu najsilniej podlega barwa niebieska. Gdy pogoda robi się zła, a szczególnie wtedy, gdy w powietrzu znajduje się dużo wilgoci, kolor nieba może stać się zielonkawy. Niebo o zachodzie nad horyzontem staje się z kolei czerwone, ze względu na silniejsze rozpraszanie światła niż za dnia, czasem ta czerwień może rozlać się na całe niebo.

Za dnia jest kolorowo, bywa. A nocą? Większość z nas odpowie, że to niebo jest czarne, ewentualnie bardzo ciemne. Ta druga odpowiedź ma sporo wspólnego z rzeczywistością. Bo choć atmosfera w nocy podobnie jak za dnia rozprasza światło gwiazd, jest to bardzo słaby efekt i w rezultacie wszystko co jest widoczne poza punktowymi gwiazdami, wydaje się tak ciemne, że jedyne co przychodzi nam do głowy to czerń. Poza atmosferą, gdzie nie ma co rozpraszać światła gwiazd, lepszą odpowiedzią będzie istotnie czerń.

Niebo jest pełne obiektów, o różnych własnościach, a kolor to najlepszy sposób, by je pokazać

Niebo jednakże to nie tylko gwiazdy i pusta przestrzeń pomiędzy nimi. W praktyce ta przestrzeń też jest wypełniona gwiazdami, ale nie wszystkie świecą tak jasno, byśmy mogli je widzieć. Podobnie jest z innymi obiektami kosmicznymi, galaktykami, mgławicami, zbiorowiskami międzygwiezdnego wodoru.

Protogwiazda L1527, która formuje się dopiero od około 100 tysięcy lat. Jeszcze nie produkuje energii z pomocą reakcji termojądrowych, źródłem tej jest wciąż zachodząca kontrakcja. Kolory pozwalaja pokazać nie tylko intensywność światła wydostającego się z wnętrza dysku (to ten ciemny pasek w samym środku), w którym kryje się protogwiazda, ale też przejrzystość warstw pyłu w otoczeniu w znacznym stopniu wyczyszczonym przez wyrzuty materii. Im bardziej pomarańczowy kolot tym gęstszy jest pył. Tam gdzie mamy niebieski kolor, warstwa pyłu jest najcieńsza.

One tam są, emitują bądź rozpraszają światło z innych jego źródeł, a efekt tych zjawisk w końcu do nas dociera. W bardzo małych porcjach, dlatego potrzebne są teleskopy i ich instrumenty obserwacyjne, które są w stanie zintegrować to światło, tak by z pozornej czerni nieba wyłoniły się piękne i kolorowe kształty. No właśnie kolorowe. Różnorodność kolorów na zdjęciach obiektów kosmicznych istotnie ma sens, bo każda barwa odpowiada za innego typu proces, który odpowiada za wyemitowanie czy też odbicie bądź rozproszenie światła, za inny chemicznie składnik, który jest źródłem promieniowania. Kolor może też określać energię niesioną przez dane promieniowanie.

Astronomowie obserwują kosmos nie tylko w świetle widzialnym

Astronomowie nie obserwują wyłącznie w świetle widzialnym. Ba nawet wtedy, ograniczają się do jednej, czasem kilku długości promieniowania, co sprawia, że obiekty kosmiczne mają różne dwu czy też kilkutonowe barwy, dziwne dość z perspektywy naszego postrzegania otoczenia.

Galaktyka IC5332, połowa zdjęcia po lewej to obraz zarejestrowany przez Hubble'a w ultrafiolecie i świetle widzialnym, po prawej mamy obraz w średniej podczerwieni z instrumentu MIRI w teleskopie Webb.

Prawdziwa jazda zaczyna się, gdy trzeba pokazać światło o szerokim zakresie. Nie tylko widzialne, ale ultrafiolet i to jeszcze bardzie energetyczne, albo bliską, średnią i daleką podczerwień. Nie mówiąc już o promieniowaniu radiowym. No, bo jaki kolor ma na przykład sygnał Wi-Fi. Gdyby nasze oczy były w stanie widzieć promieniowanie o częstotliwości innej niż terahercowa (np. światło zielone to fala o częstotliwości około 600 THz), ale też gigahercowe, to w naszym pokoju zrobiłoby się bardzo kolorowo.

Kolory, kolory, kolory. Prawdziwe, ale jednak nie takie jakimi są w rzeczywistości

I znów to słowo kolorowo. Niestety nie potrafimy zdefiniować barw, które odpowiadają za niewidoczne dla ludzkiego oka długości fal promieniowania. A tym samym powiedzieć jak nasz mózg reagowałby na takie promieniowanie, o ile nie stanowiłoby ono zagrożenia dla naszego życia. Bo kolor to właściwie konstrukt, a nie ściśle określona własność materii.  Dlatego odwołujemy się do triku, który polega na przypisaniu znanych nam kolorów różnym zakresom promieniowania dla nas niewidzialnego.

Księżyc Saturna Tytan. Rózny sposób pokazania tego co widzi teleskop Webb w podczerwieni za pomocą jego instrumentów. Obraz po lewej bardziej pasuje do tego, co oczekiwałby nasz zmysł postrzegania

Można to zrobić na kilka sposobów. Ograniczyć się do odcieni koloru, po którego stronie znajduje się ta część widma, która chcemy pokazać. I tak, zdjęcia w podczerwieni mogą być pokazane jako różnorodność odcieni barwy czerwonej, co ma sens szczególnie, gdy obserwacje ograniczają się do jednego, dość wąskiego zakresu promieniowania.

Wtedy jednak obrazy nie byłyby tak atrakcyjne jak w sytuacji, gdy różnych długościom fal promieniowania podczerwonego przypiszemy szerszy zakres kolorów. Całe widzialne widmo. I wtedy, dostaniemy takie wielobarwne obrazy Filarów Stworzenia i innych obiektów głębokiego nieba. Obowiązuje tu oczywiście zasada, im długości fal bliższe barwie niebieskiej pokazywane są jako odcienie niebieskiego, te bliższe barwie czerwonej, jako odcienie czerwieni. A pośrednie jako zieleń, żółty czy pomarańczowy. Dobrą analogią są tu obrazy z kamer termicznych. W ich przypadku mamy do czynienia z bardzo daleką podczerwienią, ale to właśnie kolory pomagają nam pokazać różną temperaturę różnych miejsc na człowieku, na ścianie, tak by gradienty temperaturowe były dostrzegalne.

Mgławica Carina. Po lewej obserwacje w świetle widzialnym wykonane OmegaCAM w teleskopie VST (VLT Survey Telescope), po prawej niewielki fragment tej mgławicy obserwowany przez Webb w bliskiej podczerwieni instrumentem NIRCam.

Rozciągając zakres obserwacji pokazanych na jednym obrazie nieba, na obejmujący zarówno promieniowanie gamma czy rentgenowskie, a zarazem fale radiowe, również stosuje się taką strategię. Wysokim energiom odpowiadają odcienie fioletu, błękitu, niskoenergetycznemu promieniowaniu głęboka czerwień. Trzeba przyznać, że dobry monitor, który ma najszersze możliwe pokrycie gamutu, w którym zapisany jest zdjęcie nieba, zapewni znacznie lepsze doznania wizualne, niż kiepski monitor, który nawet z precyzją oddania tych barw, które wyświetla jest na bakier.

Nawet pozornie niekolorowe zdjęcie wykonane w podczerwieni, jak ten obraz galaktyki WLM zawiera barwy z całego zakresu widzialnego. I tak niebieski to promieniowanie o długości 0,9 um czyli podczerwień daleko poza zdolnościami rejestracji przez oko ludzkie, fale 1,5 um to cyjan, 2,5 um pokazano jako żółty, a 4,5 um jako czerwony.

I to cały sekret, a nawet nie sekret, bo można tego się w końcu samemu domyślić, kolorowych obrazów nieba. Astronomowie starają się nie tylko ukazać go barwnie, byśmy mogli zrozumieć bogactwo kosmosu, ale też dobierają te kolory z rozwagą, by efekt nie był kompletną abstrakcją.

Źródło: inf. własna, zdjęcia: NASA/Webb, Hubble; ESO/VST