Construcción de imágenes astronómicas y el verdadero color de las galaxias

• Autora: Daniela Montes Doria 
• Institución: Departamento de Astronomía, Universidad de Antíoquia, Medellín, Colombia.
• Etiquetas: Galaxias, SDSS, Color de galaxias.

Daniela es una estudiante recién graduada del pregrado de Astronomía de la Universidad de Antioquia. Llevó a cabo su investigación como parte del RECA Program Internship 2021 bajo la supervisión del Dr. Ignacio Trujillo del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC). Los resultados de este trabajo se presentaron en el Simposio RECA Internship 2021. 

Cuando observamos imágenes astronómicas en los medios de comunicación, a menudo presentan espectaculares fotos de galaxias a color. Pero, ¿cómo se construyen estas imágenes? ¿En qué se basan? ¿Realmente así es como se ven las galaxias? En este trabajo pretendemos familiarizarnos con la creación de imágenes astronómicas a color trabajando con datos de diferentes telescopios. 

¿Cómo se construyen las imágenes astronómicas?

Una imagen a color se genera por la combinación de tres bandas, las cuales suelen etiquetarse como RGB (Red, Green, Blue; palabras inglesas para rojo, verde y azul). A la imagen observada en la longitud de onda más corta se le asigna el color azul, en la longitud de onda intermedia el color verde, y en la longitud de onda más larga el rojo. Por ejemplo, si utilizamos los filtros i (748 nm), r (616 nm) y g (469 nm) del Sloan Digital Sky Survey (SDSS) debemos etiquetarlos como R, G, y B, respectivamente. Actualmente, en astronomía se utilizan diferentes programas para crear imágenes a color entre los que destacan SAO DS9, FITS Liberator, Adobe Photoshop, etc. En nuestro caso, utilizamos el código desarrollado por el Dr. Raúl Infante-Sainz que requiere del software astronómico Gnuastro (Akhlaghi & Ichiwaka 2015). Cabe mencionar que con este método tenemos la posibilidad de obtener imágenes más estéticas y que a su vez proporcionan información científica. 

En qué se basa esta nueva propuesta

La implementación de este código se basa en Lupton et al. (2004), donde se propone un algoritmo para generar imágenes RGB a partir de imágenes astronómicas en tres bandas. Para tal propósito se utiliza la función arcoseno hiperbolico (arcsenh), la cual permite mostrar las estructuras tenues y brillantes al mismo tiempo en una imagen; en otras palabras, nos deja manipular los valores de los píxeles con el objetivo de mostrar en sincronía sus valores más bajos y altos.  Para variar el rango dinámico (la diferencia entre la máxima y mínima cantidad de luz detectada) de la imagen a través de la función arcsenh hay que considerar dos parámetros: qbright (Q) resalta las regiones brillantes y stretch (s) resalta las regiones tenues. Adicionalmente, debemos ingresar los pesos o weights (w) de cada banda, es decir, cuánto van a contribuir al momento de generar la imagen a color.

Construcción de imágenes a color y los parámetros utilizados

Uno de los objetivos de este trabajo fue determinar el mejor conjunto de estos parámetros (Q, s, w) para representar la versión más informativa de imágenes de galaxias de los catálogos SDSS y Stripe 82, y los telescopios IAC80 y William Herschel Telescope (WHT). Un análisis de la distribución de las cuentas de los datos nos permitió determinar el rango dinámico de cada una de las imágenes en las diferentes bandas, al igual que identificar qué tan profundas son respecto a las imágenes del SDSS. El Stripe 82, IAC80 y WHT son aproximadamente 1.5, 2 y 3 magnitudes más profunda que el SDSS, respectivamente. Cabe señalar que entre más profunda sea una imagen será posible ver objetos más débiles. Esto sugiere que en algunas imágenes tendremos que resaltar mucho más los píxeles de bajo brillo para abarcar todo el rango dinámico.

Por esta razón, se han establecido dos conjuntos de parámetros: la primera opción (Q=0.45, s=0.05, w = 0.53, 0.7, 1.0) genera la mejor imagen para el SDSS, pero nos hace perder información (no se observan objetos de bajo brillo) en las imágenes del Stripe 82, IAC80 y WHT. La segunda opción (Q=0.45, s=0.0005, w = 0.53, 0.7, 1.0) nos permite obtener imágenes de calidad (se observan objetos brillantes y tenues) para tres de los telescopios, no obstante aumenta el ruido de las imágenes del SDSS. Es importante notar que con esta metodología tendremos un procedimiento estándar para crear imágenes a color para estos datos. Un ejemplo del uso de los parámetros se puede ver en la Figura 1.

¿Cómo se ven las galaxias realmente? 

A las imágenes anteriores se les conoce en astronomía como imágenes de falso color, es decir, estos no son los colores reales que vería el ojo humano. La razón es que la luz que se recibe con los telescopios, por ejemplo el infrarrojo (banda i), no la detecta el ojo. A pesar de esto, este tipo de imágenes son ampliamente usadas tanto para extraer información científica como para identificar objetos. 

Pero entonces, ¿cómo se verían realmente los colores de las galaxias? La respuesta a esto nos lleva a considerar varios aspectos, entre estos entender la percepción del color. Nuestros ojos tienen 3 tipos de células que detectan el color, sus picos de sensibilidad están aproximadamente en el rango espectral del rojo (cono L), verde (cono M) y azul (cono S). Estudios realizados en 1978 permitieron entender la respuesta del ojo a diferentes longitudes de onda (), por ejemplo la máxima sensibilidad se alcanza para = 555 nm en la región del verde. Todo lo anterior permite definir el espacio de color CIE RGB para el ojo humano, donde los colores se forman por la combinación de 3 colores primarios: rojo (604 nm), verde (542 nm)y azul (446 nm). Estos colores se perciben con una sensibilidad (normalizada al pico) del 58%, 97% y 4%, respectivamente. 

Por tanto, los valores anteriores son las longitudes de onda centrales de los “filtros” del ojo, los cuales modelamos haciendo uso de los filtros Sloan (i, r, g) para poder hacernos una idea de cómo veríamos los objetos de las imágenes astronómicas si los viéramos con nuestros propios ojos. Lo primero fue descartar la banda i dado que el ojo no es sensible a este tipo de luz. Por su parte, para encontrar la equivalencia de las bandas r y g con los filtros del ojo, utilizamos la respuesta de los filtros Sloan y ubicamos las longitudes de onda centrales de los filtros RGB del ojo, encontrando que rsloan Rojo , gsloan Bojo y rsloan + gsloan 2Gojo . Considerando las suposiciones descritas anteriormente se obtienen los resultados de la Figura 2, en ambas imágenes la banda verde domina sobre las demás, por lo que ‘veríamos’ los objetos de un color verdoso. 

 

En conclusión, hemos presentado una nueva herramienta para generar imágenes a color con distintos datos (SDSS, Stripe82, IAC80, WHT), adicionalmente estas imágenes están optimizadas para mostrar la mayor cantidad de información posible. Además, encontramos que los colores en los que “veríamos” las galaxias están en la gama del verde, aunque es necesario un tratamiento cuantitativo basado en más filtros (usar los datos del J-PAS) para confirmar estos resultados preliminares. 

Este articulo hace parte de una serie de entradas que muestran los resultados del los proyectos de investigacion realizados en el programa se pasantias de la red Colombiana de estudiantes en astronomia (RECA). Este program se llevo acabo entre Mayo y Agosto del 2021