<그림 설명 : 카시오페이아 자리(카스 A)는 지구에서 약 11,000광년 떨어진 카시오페이아 별자리에 있는 초신성 잔해입니다. 약 10광년에 걸쳐 있습니다. 이 이미지는 웹의 중적외선 망원경(MIRI)의 데이터를 사용하여 Cas A를 새로운 시각으로 보여줍니다. 이 이미지는 25.5마이크론(F2550W)에 할당된 빨간색, 21마이크론(F2100W)에 할당된 주황색-빨간색, 18마이크론(F1800W)에 할당된 주황색, 12.8마이크론(F1280W)에 할당된 노란색, 11.3마이크론(F1130W)에 할당된 녹색, 10마이크론(F1000W)에 할당된 청록색, 7.7마이크론(F770W)에 할당된 하늘색, 5.6마이크론(F560W)의 다양한 필터와 결합한 이미지입니다. NASA, ESA, CSA, Danny Milisavljevic(퍼듀 대학교), 차 테밈(프린스턴 대학교), 일세 드 루즈(UGent) / 이미지 처리: 조셉 드파스콸레(STScI)>
우리는 모두 검은 심연 위에 선명한 소용돌이와 밝은 별이 떠 있는 우주 공간의 아름다운 이미지를 본 적이 있습니다. iPhone에서 컬러 사진을 찍는 것이 얼마나 빠른지 생각하면 정교한 우주 망원경도 자동으로 컬러 사진을 찍어낼 것이라고 생각할 수 있습니다.
하지만 휴대폰부터 제임스 웹 우주 망원경까지 모든 디지털 카메라는 실제로 컬러로 볼 수 없습니다. 디지털 카메라는 센서에 닿는 빛의 양을 계산하여 이미지를 1과 0의 조합으로 기록합니다. 각 픽셀에는 특정 파장의 빛만 통과시키는 컬러 필터(빨간색, 녹색 또는 파란색)가 덮여 있습니다. 필터는 특정 패턴(일반적으로 바이엘 패턴이라고 하는 4픽셀 반복 사각형)으로 배열되어 카메라의 컴퓨팅 하드웨어가 캡처된 데이터를 풀컬러 이미지로 결합할 수 있게 해줍니다. 일부 디지털 카메라는 컬러 필터를 3개의 개별 센서에 분산하여 데이터를 풀컬러 이미지로 유사하게 결합할 수 있습니다. 그러나 망원 카메라는 한 번에 하나의 필터로 이미지를 촬영해야 하므로 나중에 전문가가 합성 이미지로 결합해야 합니다.
대략적인 윤곽선은 궁수자리 C(Sgr C) 영역의 특징을 정의하는 데 도움이 됩니다. 천문학자들은 이러한 특징과 혼돈의 은하 중심에 있는 다른 영향 사이의 관계를 이해하기 위해 NASA의 제임스 웹 우주 망원경의 데이터를 연구하고 있습니다. 크레딧: 출처: NASA, ESA, CSA, STScI, 사무엘 크로우(UVA)
스마트폰에서는 레이어의 조합이 엄청나게 빠르게 이루어지지만 망원경은 복잡한 과학적 거물이기 때문에 우리가 알고 사랑하는 놀라운 결과를 얻으려면 조금 더 많은 노력이 필요합니다. 또한 천문학자들은 우주를 관찰할 때 적외선과 X선 등 우리 눈으로는 볼 수 없는 빛의 파장을 사용하기 때문에 이러한 파장도 무지개 색으로 표현해야 합니다. 우주 이미지를 색칠하는 방법에 대해 많은 결정을 내려야 하는데, 이러한 이미지를 만드는 사람은 누구이며 어떻게 만드는가라는 질문이 생깁니다.
JWST에서 우리가 보고 있는 놀라운 결과를 위해 과학 데이터를 아름다운 컬러 이미지로 처리하는 것은 사실 풀타임 직업입니다. 볼티모어에 있는 우주망원경 과학연구소의 과학 시각화 전문가들은 이미지를 쌓고 망원경의 여러 장비에서 관측한 내용을 연결합니다. 또한 이미지에서 실제로는 존재하지 않지만 망원경 장비와 디지털 데이터 처리 방법의 결과물인 아티팩트(인공물)를 제거합니다. 여기에는 미행 우주선으로 인한 줄무늬, 가장 밝은 별의 과포화 또는 검출기 자체의 노이즈가 포함될 수 있습니다.
흑백에서 컬러로
이러한 전문가는 색상에 대해 생각하기 전에 이미지의 어둡고 밝은 값의 균형을 맞춰야 합니다. 과학용 카메라는 우리 눈이 포착할 수 있는 범위를 넘어서는 광범위한 밝기를 기록하기 위한 것입니다. 즉, 망원경으로 촬영한 원본 이미지는 우리 눈에는 매우 어둡게 보이는 경우가 많기 때문에 이미지를 밝게 해야만 무엇이든 볼 수 있습니다.
디테일을 볼 수 있는 흑백 이미지가 나오면 컬러를 추가하기 시작합니다. “망원경마다 특정 파장의 빛에만 민감하게 반응하도록 만들어진 필터가 있으며, 우리가 보는 다채로운 우주 이미지는 이러한 다양한 필터에서 촬영한 개별 노출의 조합입니다.”라고 앞서 설명한 휴대폰 카메라의 설명과 유사하게 미시간 대학의 천문학자 Katya Gozman은 설명합니다. “각 필터를 가시광선의 기본 색상인 빨강, 녹색 또는 파랑과 같은 별도의 색상 채널에 할당할 수 있습니다. 서로 겹쳐서 사용하면 미디어에서 보던 교과서적인 멋진 컬러 이미지를 얻을 수 있습니다.”라고 그녀는 덧붙입니다.
과학적 정확성뿐만 아니라 가장 잘 보이는 것을 기준으로 색상을 선택하는 것은 일종의 예술이 됩니다. JWST와 허블의 경우 가장 짧은 파장에는 파란색, 그 중간에는 녹색, 가장 긴 파장에는 빨간색을 사용하는 것이 일반적인 루틴입니다.
물론 최종 결과는 이미지 전문가가 처음에 어떤 종류의 데이터를 가지고 작업해야 하는지에 따라 달라집니다. 웹의 적외선 카메라 중 두 대인 NIRCam과 MIRI가 각각 다른 파장(근적외선과 중적외선)을 관측하므로 물리적 구조가 다르다는 사실을 강조하기 위해 팀에서는 종종 다른 색상을 선택합니다. 예를 들어, 카시오페이아 A 초신성 잔해에서 JWST의 관측 결과 특정 파장의 빛을 방출하는 무언가의 거품이 발견되었는데, 이 거품은 MIRI 이미지에서 녹색으로 표시되어 “녹색 괴물”로 알려지게 되었습니다. 이 시각화가 없었다면 천문학자들은 거대한 별이 어떻게 죽는지에 대한 통찰력을 제공하는 이 흥미로운 특징을 발견하지 못했을 것이며, 몇 가지 조사 끝에 그린 몬스터가 초신성 폭발의 거대한 폭발로 인해 흩어진 잔해의 영역이라는 것을 알아냈습니다.
이 이미지는 NASA의 제임스 웹 우주 망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)와 중적외선 기기(MIRI)로 촬영한 초신성 잔여물 카시오페이아 A(Cas A)를 나란히 비교한 것입니다. 크레딧: NASA, ESA, CSA, STScI, 대니 밀리사블예비치(퍼듀 대학교), 일세 드 루즈(UGent), 티 테밈(프린스턴 대학교)
보이지 않는 것을 보이는 것으로
일반적으로 이미지 전문가는 가능한 한 현실에 가깝게 표현하려고 노력합니다. 예를 들어 망원경으로 가시광선을 관측하는 경우 파장은 우리가 익숙한 색상으로 직접 매핑할 수 있습니다. 하지만 우리 눈에 보이지 않는 스펙트럼의 경우 어떤 가시광선 색상을 사용할지 선택해야 합니다. 과학적 정확성뿐만 아니라 가장 잘 보이는 색을 기준으로 색을 선택하는 것은 일종의 예술이 됩니다. JWST와 허블의 경우 가장 짧은 파장에는 파란색을, 그 중간에는 녹색을, 가장 긴 파장에는 빨간색을 사용하는 것이 일반적인 루틴입니다. 선택할 수 있는 필터가 세 가지 이상인 경우(특히 JWST에서 두 개 이상의 첨단 장비를 사용하는 경우) 빨간색, 녹색, 파란색 사이에 다른 파장을 위해 보라색, 청록색, 주황색을 추가하는 경우도 있습니다.
웹의 원본 망원경 이미지는 처음에는 거의 완전히 검은색으로 나타납니다(왼쪽). 이미지 프로세서에 의해 처음에는 선명한 흑백 이미지(가운데)로 변환된 다음 풀컬러 합성 이미지(오른쪽)로 변환됩니다. 크레딧: JWST
컬러 이미지는 단순히 예쁜 그림 그 이상의 의미를 지니며, 실제로 과학적으로도 매우 유용합니다. 미국 자연사 박물관의 천문학자인 마크 포핀초크는 인간의 뇌는 색으로 구분된 지하철 노선이 표시된 지도를 해석하거나 “빨간불은 정지, 초록색은 진행”이라는 것을 인식하는 등 색의 패턴을 포착하는 데 탁월한 능력을 가지고 있다고 말합니다. “이러한 사례는 색을 통해 사회적 정보가 빠르게 전달되고 처리되는 일상적인 예입니다. 과학자들도 같은 도구를 사용하기를 원합니다.”라고 그는 덧붙입니다. “하지만 사회적인 정보 대신 과학적인 정보입니다. 엑스레이가 빨간색이고 자외선이 파란색이라면 인간이 할 수 있는 것 이상의 에너지적인 빛을 매우 빠르게 해석할 수 있습니다.” 그 결과 육안이나 흑백으로만 처리할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 양의 데이터를 시각적으로 표현할 수 있습니다.
예를 들어, 고즈먼은 이미지가 “은하계에서 별이 형성되는 위치나 성운 주변의 다른 원소 위치를 확인하는 등 물체에서 다양한 물리적 과정이 일어나는 위치를 인식하는 데 어떻게 도움이 되었는지”를 설명합니다. 가시 스펙트럼 너머의 빛이 포함된 컬러 이미지는 총알 은하단 같은 은하 주변의 암흑 물질까지 밝혀냈습니다.
특히 최근의 흥미로운 이미지 색채의 또 다른 예는 해왕성의 경우입니다. 보이저 탐사선의 짙은 파란색 얼음 세계 사진은 마치 우리가 직접 눈으로 보는 것처럼 실제 색을 반영하지 않고 천왕성의 창백한 얼굴과 더 비슷합니다. 고즈만은 “80년대에 천문학자들은 해왕성의 희미한 일부 특징의 대비를 높이기 위해 실제로 이미지를 늘리고 수정하여 해왕성의 짙은 푸른 색조를 만들어 천왕성과 매우 다르게 보이도록 만들었습니다.”라고 설명합니다. “천문학자들은 이 사실을 알고 있었지만 대중은 알지 못했습니다. 이 사례는 동일한 데이터를 다른 방식으로 재처리하면 완전히 다른 표현이 나올 수 있다는 것을 보여주는 좋은 예입니다.”
이미지 분석은 인간의 제한된 눈의 한계를 넘어 우주를 볼 수 있는 방법을 찾는 천문학에서 매우 중요한 부분이며, 과거에도 그랬고 지금도 마찬가지입니다. 여러분도 직접 시도해 볼 수 있습니다. NASA에서 제공하는 JWST 데이터는 대중에게 공개되어 있으며, 누구나 참여할 수 있는 천체 사진 챌린지도 운영 중입니다. 이제 아름다운 우주 이미지를 보면 과학과 예술의 멋진 융합이라고 생각할 수 있을 것입니다.
출처 : popsci.com
