banner large

Bagaimana Webb mengirimkan gambar seratus megapikselnya satu juta mil kembali ke Bumi – TechCrunch

Comment
X
Share

NASA baru saja mengungkapkan kumpulan gambar pertama Teleskop Luar Angkasa James Webb, dari bidang galaksi dalam yang menakjubkan hingga karakterisasi menit atmosfer planet ekstrasurya yang jauh. Tapi bagaimana sebuah pesawat ruang angkasa satu juta mil jauhnya mendapatkan lusinan gigabyte data kembali ke Bumi?

Pertama mari kita bicara tentang gambar itu sendiri. Ini bukan sekadar .jpg biasa — dan Webb bukan sekadar kamera biasa.

Seperti instrumen ilmiah lainnya, Webb menangkap dan mengirimkan rim data mentah ke rumah dari instrumennya, dua sensor inframerah dekat dan menengah dengan sensitivitas tinggi dan sejumlah aksesori yang dapat mengkhususkannya untuk spektroskopi, koronografi, dan tugas lain sesuai kebutuhan.

Mari kita ambil salah satu gambar pertama yang baru saja dirilis dengan perbandingan langsung sebagai contoh.

Balapan megapiksel

Hubble, yang lebih sebanding dengan teleskop cahaya tampak tradisional, mengambil gambar Nebula Carina ini pada tahun 2008:

Tentu saja ini adalah gambar yang luar biasa. Tapi Hubble lebih sebanding dengan teleskop cahaya tampak tradisional, dan yang lebih penting diluncurkan kembali pada tahun 1990. Teknologi telah berubah sejak saat itu!

Inilah versi Webb dari wilayah yang sama:

Kredit Gambar: NASA, ESA, CSA, STScI

Jelas bagi setiap pemirsa bahwa versi Webb memiliki jauh lebih detail bahkan melihat versi kecil ini. Tekstur nebula yang tipis berubah menjadi formasi dan gumpalan awan yang rumit, dan lebih banyak bintang dan mungkin galaksi yang jelas dan terlihat. (Meskipun mari kita perhatikan di sini bahwa gambar Hubble memiliki daya tariknya sendiri.)

Mari kita memperbesar satu wilayah untuk menekankan tingkat detail yang ditangkap, hanya ke kiri dan ke atas dari tengah:

Kredit Gambar: NASA, ESA, CSA, STScI

Luar biasa, bukan? Tetapi detail ini ada harganya: data!

Gambar Hubble sekitar 23,5 megapiksel, dengan berat 32 megabita tanpa kompresi. Gambar Webb (sebagaimana tersedia setelah penanganan) adalah 123 megabita dan kira-kira 137 megabita. Itu lebih dari lima kali lipat data, tetapi bahkan itu tidak menceritakan keseluruhan cerita. Spesifikasi Webb membuatnya mengirim data kembali pada 25 kali throughput Hubble — bukan hanya gambar yang lebih besar, tetapi lebih banyak lagi… dari jarak 3.000 kali lebih jauh.

Panggilan jarak jauh

Hubble berada di orbit rendah Bumi, sekitar 340 mil di atas permukaan. Itu berarti komunikasi dengannya sangat sederhana — ponsel Anda dengan andal mendapatkan sinyal dari satelit GPS lebih jauh, dan ini adalah permainan anak-anak bagi para ilmuwan di NASA untuk meneruskan informasi ke satelit di orbit terdekat.

JWST, di sisi lain, berada di titik Lagrange kedua, atau L2, sekitar juta mil dari Bumi, langsung jauh dari matahari. Itu empat kali lebih jauh dari yang pernah dicapai Bulan, dan proposisi yang jauh lebih sulit dalam beberapa hal. Berikut animasi dari NASA yang menunjukkan bagaimana orbit itu terlihat:

Untungnya jenis komunikasi ini jauh dari yang belum pernah terjadi sebelumnya; kami telah mengirim dan menerima data dalam jumlah besar dari tempat yang jauh. Dan kita tahu persis di mana Webb dan Bumi akan berada pada waktu tertentu, jadi meskipun tidak sepele, ini benar-benar hanya tentang memilih alat yang tepat untuk pekerjaan itu dan melakukan penjadwalan yang sangat hati-hati.

Sejak awal, Webb dirancang untuk mentransmisikan melalui pita Ka gelombang radio, dalam rentang 25,9 gigahertz, jauh ke dalam rentang yang digunakan untuk komunikasi satelit lainnya. (Starlink, misalnya, juga menggunakan Ka, serta yang lainnya di sekitar wilayah itu.)

Antena radio utama itu mampu mengirim sekitar 28 megabit per detik, yang sebanding dengan kecepatan broadband rumah — jika sinyal dari router Anda membutuhkan waktu sekitar lima detik untuk menempuh jarak jutaan mil vakum untuk mencapai laptop Anda.

Murni ilustrasi untuk rasa jarak – objek tidak skala, jelas.

Itu memberinya sekitar 57 gigabyte kapasitas downlink per hari. Ada antena kedua yang berjalan di S-band yang lebih rendah — luar biasa, pita yang sama digunakan untuk Bluetooth, wi-fi, dan pembuka pintu garasi — disediakan untuk hal-hal dengan bandwidth rendah seperti pembaruan perangkat lunak, telemetri, dan pemeriksaan kesehatan. Jika Anda tertarik dengan spesifikasinya, IEEE Spectrum memiliki artikel bagus yang membahas lebih detail tentang ini.

Namun, ini bukan hanya aliran konstan, karena tentu saja Bumi berputar dan peristiwa lain dapat menjadi perantara. Tetapi karena mereka berurusan dengan sebagian besar variabel yang diketahui, tim Webb merencanakan waktu kontak mereka empat atau lima bulan sebelumnya, menyampaikan data melalui Deep Space Network. Webb mungkin menangkap data dan mengirimkannya pada hari yang sama, tetapi baik penangkapan maupun transmisi sudah direncanakan jauh sebelumnya.

Menariknya, Webb hanya memiliki sekitar 68 gigabyte ruang penyimpanan internal, yang menurut Anda akan membuat orang gugup jika dapat mengirim 57 — tetapi ada lebih dari cukup peluang untuk membongkar data itu sehingga tidak akan pernah mendapatkan “drive” yang ditakuti. pesan penuh”.

Tetapi apa yang Anda lihat pada akhirnya — bahkan gambar TIFF 123 megabyte yang tidak terkompresi itu — bukanlah apa yang dilihat satelit. Bahkan, ia tidak benar-benar merasakan warna sama sekali seperti yang kita pahami.

“Mengizinkan data ditampilkan dengan warna”

Data yang masuk ke sensor berada dalam inframerah, yang berada di luar pita sempit warna yang dapat dilihat manusia. Kami menggunakan banyak metode untuk melihat di luar pita ini, tentu saja, misalnya sinar-x, yang kami tangkap dan lihat dengan cara yang dapat kami lihat dengan memintanya mengenai film atau sensor digital yang dikalibrasi untuk mendeteksinya. Hal yang sama untuk Webb.

“teleskop itu sebenarnya bukan kamera point and shoot. Jadi tidak seperti kita hanya bisa mengambil gambar dan di sana kita memilikinya, kan? Ini adalah instrumen ilmiah. Jadi itu dirancang pertama dan terutama, untuk menghasilkan hasil ilmiah, ”jelas Joe DePasquale, dari Space Telescope Science Institute, dalam podcast NASA.

Perbandingan berdampingan ini menunjukkan pengamatan Nebula Cincin Selatan dalam cahaya inframerah-dekat, di sebelah kiri, dan cahaya inframerah-tengah, di sebelah kanan, dari Teleskop Webb NASA.

Apa yang dideteksinya bukanlah data yang benar-benar dapat diurai manusia, apalagi dirasakan secara langsung. Untuk satu hal, rentang dinamis keluar dari grafik — itu berarti perbedaan besarnya antara titik paling gelap dan paling terang. Pada dasarnya tidak ada yang lebih gelap dari kekosongan ruang yang tak terbatas, dan tidak lebih terang dari matahari yang meledak. Tetapi jika Anda memiliki gambar yang menyertakan keduanya, yang diambil selama beberapa jam, Anda akan mendapatkan delta yang sangat besar antara gelap dan terang dalam data.

Sekarang, mata dan otak kita memiliki rentang dinamis yang cukup baik, tetapi ini membuat mereka terlempar keluar dari air — dan yang lebih penting, tidak ada cara nyata untuk menunjukkannya.

“Pada dasarnya terlihat seperti gambar hitam dengan beberapa bintik putih di dalamnya, karena ada rentang dinamis yang sangat besar,” kata DePasquale. “Kita harus melakukan sesuatu yang disebut meregangkan data, dan itu adalah mengambil nilai piksel dan memposisikan ulang, pada dasarnya, sehingga Anda dapat melihat semua detail yang ada di sana.”

Sebelum Anda keberatan dengan cara apa pun, pertama-tama, ketahuilah bahwa pada dasarnya inilah cara semua citra dibuat — pilihan spektrum dipotong dan disesuaikan untuk dilihat oleh sistem visual kami yang sangat mumpuni tetapi juga terbatas. Karena kita tidak dapat melihat dalam inframerah dan tidak ada padanan warna merah, biru, dan hijau pada frekuensi tersebut, analis gambar harus melakukan pekerjaan rumit yang menggabungkan penggunaan data secara objektif dengan pemahaman subjektif tentang persepsi dan keindahan. Warna mungkin sesuai dengan panjang gelombang dalam urutan yang sama, atau mungkin dibagi menjadi lebih logis menyoroti daerah yang “terlihat” serupa tetapi mengeluarkan radiasi yang sangat berbeda.

“Kami suka di, Anda tahu, komunitas pencitraan dalam astrofotografi suka menyebut proses ini sebagai ‘warna representatif’, alih-alih apa yang dulu disebut, masih banyak orang menyebutnya ‘gambar warna palsu.’ Saya tidak suka istilah ‘warna palsu’, karena memiliki konotasi bahwa kita memalsukannya, atau, Anda tahu, ini tidak benar-benar seperti apa yang terlihat, data adalah data. Kami tidak akan masuk ke sana dan menerapkan, seperti melukis warna pada gambar. Kami menghormati data dari awal hingga akhir. Dan kami membiarkan data ditampilkan dengan warna.”

Jika Anda melihat gambar di atas, dua pandangan nebula, pertimbangkan bahwa keduanya diambil dari sudut yang sama, pada waktu yang kurang lebih sama, tetapi menggunakan instrumen berbeda yang menangkap segmen spektrum IR yang berbeda. Meskipun pada akhirnya keduanya harus ditampilkan dalam RGB, objek dan fitur berbeda yang ditemukan dengan memeriksa panjang gelombang yang lebih tinggi dapat dibuat terlihat dengan metode penetapan warna yang kreatif namun ketat secara ilmiah ini.

Dan tentu saja ketika data lebih berguna sebagai data daripada sebagai representasi visual, ada cara yang lebih abstrak untuk melihatnya.

Kredit Gambar: NASA, ESA, CSA, dan STScI

Gambar exoplanet yang jauh mungkin tidak menunjukkan apa-apa selain sebuah titik, tetapi spektogram menunjukkan detail atmosfernya, seperti yang dapat Anda lihat dalam contoh di atas.

Mengumpulkan, mentransmisikan, menerima, menganalisis, dan menyajikan data seperti Webb adalah tugas yang kompleks, tetapi tugas yang ratusan peneliti mendedikasikan diri mereka dengan riang dan gembira sekarang karena sudah aktif dan berjalan. Antisipasi cara yang lebih kreatif dan menarik untuk menampilkan informasi ini — dengan JWST yang baru saja memulai misinya sejuta mil, kami memiliki banyak hal untuk dinanti-nantikan.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *