Artefacto de difracción en la imagen de prueba alineada con JWST del 16 de marzo de 2022

El 16 de marzo de 2022 recibimos la primera imagen del JWST de una estrella , donde los 18 segmentos estaban alineados y en foco común. Que maravillosa foto:

Imagen de evaluación de alineación del telescopio

(Fuente: Webb Twitter . Resolución completa de 18 MP en la página web de la NASA )

Tengo curiosidad por qué esta estrella central tiene seis "rayos" muy obvios en la imagen. Un comentario improvisado que leí (o escuché) en alguna parte decía que esto se debe a la forma hexagonal del espejo principal del JWST.

Esto debe referirse al perímetro exterior del espejo primario, supongo.

Entonces,

  1. Si el perímetro del espejo primario fuera circular, ¿no estarían presentes estos rayos de artefactos?

  2. ¿Cómo se eliminan estos artefactos?

Se me ocurre que cada fuente de luz en la imagen debe tener estos artefactos de alguna forma (no solo en el centro de la imagen), por lo que estos peculiares rayos de luz hexagonales (incluidos los de fuentes IR, por supuesto) deben ser (potencialmente) en cualquier lugar (¿en todas partes?) en la imagen.

¿Hay algún software óptico magnífico involucrado en el procesamiento de los datos de imagen sin procesar, eliminando estos artefactos, incluso donde se superponen con otras fuentes de luz (que no son artefactos) (y dejando los datos "buenos" que no son artefactos)?

En términos más generales, ¿hay un buen informe (general) sobre la canalización de procesamiento de imágenes para datos del JWST?

De hecho, es una imagen hermosa. Solo para su información, la imagen aquí en el plano focal es la transformada de Fourier 2D del espejo primario. Como señala asdfex, la estrella central está muy sobreexpuesta, por lo que el patrón de difracción se destaca. El patrón es principalmente hexagonal y corresponde a la simetría hexagonal de la forma general, los estrechos espacios entre los segmentos y el segmento 'faltante' en el medio. Pero también hay una característica principal (barra horizontal) que no está en el patrón hexagonal y que presumiblemente se debe al brazo de soporte superior que sostiene el espejo secundario.
@RogerWood Sí, ese podría ser el brazo superior. Los otros dos parecen alinearse con la forma hexagonal. Pero también podría ser algún otro elemento óptico más cercano a los instrumentos.
Ver también astronomy.stackexchange.com/q/48836/15228 , que entra en un artículo más profundo.
Tenga en cuenta que la estrella objetivo utilizada para esta alineación es demasiado brillante para ser un objetivo científico útil. Esos grandes picos brillantes son mucho, mucho más débiles que la estrella misma, que está abrumadoramente sobresaturada y oscurecida por la floración. Mire los otros objetos en la imagen: solo hay un par de casos en los que los picos son incluso visibles. JWST no está destinado a mirar estrellas como esta, es solo un caso de prueba conveniente para la alineación del espejo.
Tal vez parte de esta pregunta debería ser: si los picos de difracción se pueden eliminar, ¿por qué no se eliminaron en esta imagen?
@Wyck Esta no es una imagen científica sino publicitaria. Y estos picos se ven mucho mejor que una mancha sobreexpuesta y borrosa en el medio.

Respuestas (3)

Estas estructuras similares a estrellas son causadas por la difracción de la luz en cualquier estructura dentro del camino óptico y se denominan picos de difracción . En el caso de JWST, es causado, como usted dice, por los bordes entre los segmentos del espejo y la forma exterior del espejo. Puede experimentar el mismo efecto con cualquier cámara que tenga hojas de apertura mecánicas (busque "estrellas de apertura")

Si el perímetro del espejo primario fuera circular, ¿no estarían presentes estos rayos de artefactos?

Si y no. La difracción sería igual en todas las direcciones y, por lo tanto, mucho menos visible. Pero tener espejos circulares no ayuda: todavía habría algunos espacios entre los espejos que tienen una forma puntiaguda similar a una estrella que causa efectos similares.

Se me ocurre que cada fuente de luz en la imagen debe tener estos artefactos de alguna forma, por lo que estos peculiares rayos de luz hexagonales deben estar (¿en todas partes?) en la imagen.

Sí, están ahí. Puedes ver un par de objetos más que muestran los mismos artefactos.

¿Cómo se eliminan estos artefactos?

Como conocemos la estructura óptica exacta del telescopio, podemos derivar una función de deconvolución que describe cómo se difracta la luz de una fuente puntual que se puede usar para revertir partes del efecto.

Pero, esto no es necesario tanto como parece. La razón principal de este efecto en la imagen de hoy es que la estrella central está muy sobreexpuesta. Recuerde, es una estrella y debe tener solo 1 píxel de tamaño si se expone (y enfoca) correctamente. Esa es también la razón por la que solo unos pocos objetos en la imagen muestran los artefactos: es un patrón muy tenue solo visible para objetos muy brillantes. Todos los objetos que quedaron expuestos correctamente (es decir, aquellos que no tienen un núcleo blanco) no lo muestran.

Re "Estas estrellas..." : ¿No querrás decir "Estas puntas ..." ?
@PeterMortensen Necesitamos más palabras diferentes. Eso estaba destinado a ser estrellas como la estructura geométrica.

Esta es solo una adición a la excelente respuesta de @asdfex, y para mi propia curiosidad. Esto muestra la FFT de la 'selfie' de apertura del sitio web de la NASA . La FFT muestra la franja horizontal que surge de la sombra del puntal vertical. Pero hay otras diferencias que no puedo explicar. Quizás algunos surjan de la resolución relativamente pobre de la imagen 'selfie' con la que trabajé y quizás algunos surjan del aliasing (reducción de resolución) al crear esta imagen.

Apertura e imagen JWST

La selfie es la opción obvia para eso... Estaba buscando algo ayer pero no pude encontrar nada bueno. ¿A qué otras diferencias te refieres? ¿La estructura punteada? Puede ver esto en las estrellas alrededor de los objetos menos sobreexpuestos debajo ya la izquierda del centro.
@asdfex, el patrón hexagonal es mucho más dominante en la imagen original de la NASA. Me doy cuenta de que mi imagen es abs (fft) y debería ser abs (fft) ^ 2 power. Tal vez eso ayude. Puedo echar otro vistazo esta tarde.
@asdfex Veo que hay una muy buena respuesta de uhoh en el intercambio de pila de astronomía a una pregunta similar. astronomy.stackexchange.com/questions/48836/… Tiene un patrón de 'moteado' similar.
El patrón de motas se debe a que la Transformada de Fourier se toma en un momento determinado, obteniendo una fase particular. En la imagen real, la fase de la fuente está oscilando y esto haría que las motas varíen durante el período de la onda de luz (el recíproco de su frecuencia). Las diversas fases del moteado se promedian en una imagen, cuya exposición suele ser mucho más larga que este período, lo que genera picos sin moteado.
Debo agregar que también habrá artefactos de ondas estacionarias, donde la interferencia cancela la luz, como en los anillos de un disco de Airy.
@robjohn "moteado" probablemente fue una mala elección de palabra. En realidad, es un patrón hexagonal fino que presumiblemente se corresponde directamente con el hecho de que los centros de todos los bordes caen en una matriz hexagonal. Es una característica fija de la FFT. El 'real "La imagen no muestra esto. En cambio, cada uno de los brazos está finamente corrugado con rayas lineales. Supongo que tiene algo que ver con los bordes mismos que caen en curvas parabólicas en la superficie del espejo (en lugar de en una superficie plana).
@RogerWood Estoy viendo "Cuarto de raíz de intensidad" en gráficos coronográficos y dejé un comentario sobre que la raíz cuadrada es proporcional al valor absoluto de amplitud, pero recuerdo vagamente una imagen y una discusión en comentarios sobre eso. en Space o Astronomy SE y parece que no puede encontrarlo ahora. ¿Ese sonido te es familiar?

Esta es una gran infografía que lo explica:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Fuente: https://webbtelescope.org/contents/media/images/01G529MX46J7AFK61GAMSHKSSN

ILUSTRACIÓN: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Joseph DePasquale (STScI)

Artefacto de difracción en la imagen de prueba alineada con JWST del 16 de marzo de 2022
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v