宇宙望遠鏡の画像に写っているあの色彩はどこから来るのでしょうか?

私たちは皆、鮮やかな渦巻きと、黒い深淵に浮かぶ明るい星々など、宇宙の美しい画像を見たことがあるでしょう。iPhone でカラー写真を素早く撮影できるので、高性能な宇宙望遠鏡も自動的にカラー写真を撮影していると思うかもしれません。

しかし、携帯電話からジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡まで、すべてのデジタルカメラは実際には色を見ることができません。デジタルカメラは、センサーに当たる光の量をカウントし、画像を 1 と 0 の集合として記録します。各ピクセルには色付きフィルター (赤、緑、青のいずれか) があり、特定の波長の光のみを通過させます。フィルターは特定のパターン (通常はベイヤーパターンと呼ばれる 4 ピクセルの繰り返しの正方形) で配置されており、これによりカメラのコンピューティング ハードウェアはキャプチャしたデータをフルカラー画像に組み合わせることができます。一部のデジタルカメラでは、色付きフィルターが 3 つの個別のセンサーに分散されており、そのデータも同様にフルカラー画像に組み合わせることができます。ただし、望遠鏡カメラは一度に 1 つのフィルターで画像を撮影する必要があるため、後で専門家が合成画像に組み合わせる必要があります。

スマートフォンでは、レイヤーの組み合わせは驚くほど高速に行われますが、望遠鏡は複雑な科学の巨物であり、私たちが知っていて愛している素晴らしい結果を得るには、もう少しの労力が必要です。さらに、宇宙を観察するとき、天文学者は私たちの目にさえ見えない光の波長（赤外線やX線など）を使用するため、それらも虹の色で表現する必要があります。宇宙画像をどのようにカラー化するかについては多くの決定を下す必要がありますが、次のような疑問が湧きます。これらの画像は誰がどのように作成しているのでしょうか。

JWST から私たちが目にしてきた素晴らしい成果のために、科学データを美しいカラー画像に処理するのは、実際にはフルタイムの仕事です。ボルチモアの宇宙望遠鏡科学研究所の科学視覚化の専門家は、画像を積み重ね、望遠鏡のさまざまな機器からの観測結果をつなぎ合わせます。また、画像内のアーティファクト、つまり実際には存在しないもの、望遠鏡の機器とデジタルデータの処理方法の結果であるものも削除します。これらのアーティファクトには、迷い込んだ宇宙線の筋、最も明るい星の過飽和、検出器自体のノイズなどがあります。

白黒からカラーへ

色について考える前に、これらの専門家は画像の明暗のバランスをとる必要があります。科学カメラは、人間の目が捉えられる範囲を超える広範囲の明るさを記録するように設計されています。つまり、望遠鏡からの生の画像は人間の目には非常に暗く見えることが多く、何かを観察するには画像を明るくする必要があります。

細部が見える白黒画像ができたら、色を加え始める。「望遠鏡によって、特定の波長の光にのみ反応するように作られたフィルターがあり、私たちが見る色鮮やかな宇宙画像は、これらの異なるフィルターで撮影された別々の露出の組み合わせです」と、ミシガン大学の天文学者カティア・ゴズマン氏は説明する。これは、先ほどの携帯電話のカメラの説明に似ている。「各フィルターを、可視光の原色である赤、緑、青の別々のカラーチャンネルに割り当てることができます。フィルターを重ねると、メディアで見慣れている教科書的な見事なカラー画像が得られます」と彼女は付け加える。

もちろん、最終的な結果は、画像専門家がそもそもどのようなデータを扱う必要があるかによっても異なります。チームは、ウェッブの赤外線カメラのうちの2台であるNIRCamとMIRIが異なる波長（それぞれ近赤外線と中赤外線）を観測しており、したがって物理的構造も異なることを強調するために、異なる色を選択することがよくあります。たとえば、カシオペアAの超新星残骸では、JWSTの観測により、特定の波長の光を発する泡状のものが発見されました。これはMIRI画像では緑色で表示され、「グリーンモンスター」と呼ばれています。この視覚化がなければ、天文学者は、巨大な星がどのように死ぬかについての洞察を提供するこのような奇妙な特徴に気付かなかったかもしれません。そして、調査の後、彼らはグリーンモンスターが超新星爆発の巨大な爆風によってかき乱された残骸の領域であることを突き止めました。

目に見えないものから見えるものへ

一般的に、画像の専門家は、物事をできる限り現実に近づけようとします。たとえば、望遠鏡が可視光で観測している場合、波長は私たちが見慣れている色に直接マッピングできます。しかし、目に見えないスペクトルの部分については、どの可視色を使用するかを選択する必要があります。ここが、科学的な正確さだけでなく、見た目も考慮して色を選択する、ちょっとした芸術になります。JWST とハッブルの場合、通常は、最短波長には青、中間波長には緑、最長波長には赤を使用します。選択できるフィルターが 3 つ以上ある場合 (JWST では、特に複数のハイテク機器を使用する場合によくあることです)、赤、緑、青の間の他の波長には、紫、青緑、オレンジが追加されることがあります。

カラー画像はただのきれいな写真ではなく、実は科学にも非常に役立つ。人間の脳は、色分けされた地下鉄路線図を解析したり、「赤信号は止まれ、青は進め」と認識したりするなど、色のパターンを捉えるのが得意だと、アメリカ自然史博物館の天文学者マーク・ポピンチョークは言う。「これらは、社会情報が色を通じて素早く提示され、処理される日常的な例です。科学者も同じツールを使いたいのです」と彼は付け加える。「ただし、社会情報ではなく、科学的な情報です。X線が赤で紫外線が青なら、人間が処理できる範囲を超えて、エネルギーのある光を非常に素早く解釈できます」。その結果、膨大な量のデータが視覚的に表現され、肉眼や白黒だけで処理できる量をはるかに上回る。

たとえば、ゴズマン氏は、画像が「銀河の中で星形成が起こっている場所や、星雲の周りのさまざまな要素がどこに位置しているかなど、物体の中でさまざまな物理的プロセスが起こっている場所」を認識するのにどのように役立っているかを説明しています。可視スペクトルを超える光を使ったカラー画像では、弾丸銀河団などの銀河の周りの暗黒物質さえも明らかにされています。

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画像の色付けに関する特に最近の興味深い例は、海王星の場合です。ボイジャー ミッションで撮影された氷の世界の濃い青色の写真は、私たちが自分の目で見ているように、実際の色を反映しているわけではなく、むしろ天王星の青白い顔に似ています。「80 年代に、天文学者は海王星の画像を引き伸ばして修正し、より暗い特徴のコントラストを高めました。その結果、海王星は天王星とはまったく異なる濃い青色になりました」とゴズマン氏は説明します。「天文学者はこれを知っていましたが、一般の人は知りませんでした。これは、同じデータをさまざまな方法で再処理すると、まったく異なる表現になる可能性があることを示す良い例です。」

画像分析は、これまでも、そしてこれからも、天文学の大きな部分を占め、非常に限られた人間の目の限界を超えて宇宙を見る方法を見つけ出すことなのです。あなたも自分で挑戦することができます。JWST データは NASA から公開されており、NASA は誰でも参加できる天体写真コンテストも開催しています。さて、美しい宇宙の画像を見ると、科学と芸術の素晴らしい融合だと思っていただけるかもしれません。