We kunnen genieten van een eindeloze stroom prachtige plaatjes van het heelal, maar de gelikte afbeeldingen die astronomen produceren zijn het resultaat van complexe beeldbewerking. Hoe echt zijn astronomische foto’s?
Toen begin deze maand de eerste beelden van ruimtetelescoop Euclid werden gepubliceerd, werd dat gretig door de media opgepikt. Niet de wetenschap zelf was nieuws, maar het feit dát er nieuwe plaatjes waren deed het publiek wereldwijd smullen. Astronomie lijkt daarmee een unieke positie te hebben in de wetenschap. De foto’s die astronomen maken staan op zichzelf, als ware het kunstwerken in een museum. De wetenschap achter die plaatjes komt later wel.
Als die plaatjes kunstwerken zijn, dan zijn de astronomen de artiesten. Met het licht dat ze uit de hemel opvangen maken ze de meest gelikte plaatjes. Maar ze zijn vaak het resultaat van een complex verwerkingsproces en niet zelden bevatten ze een zekere mate van ‘vrije keuzes’. In hoeverre kun je de adembenemende gasnevels, de oogstrelende supernova-resten en ontzagwekkende zwarte gaten ‘echt’ noemen?
Van grijze vlek naar kleurplaat
Allereerst die kleuren. In 1990 werd ruimtetelescoop Hubble gelanceerd en na een reparatie in de ruimte begon deze het ene na het andere magnifieke plaatje te produceren. Misschien is het bekendst wel die van de Pilaren der Creatie. Op een foto uit 1995 zien we niet alleen drie imposante gaszuilen in tot dan toe ongekend detail, ook de rijkheid aan kleuren valt op. De schimmige okerkleurige pilaren steken af tegen een achtergrond van cyaan. Enkele felroze sterren volmaken het tafereel, als kersen op de taart.
We zien hier een kleurencombinatie die in het vakgebied het zogenoemde Hubble-palet is gaan heten. Zoals een schilder verschillende ‘basiskleuren’ op zijn palet smeert, daarmee mengt en zo het schilderij opbouwt, zo nemen astronomen ook verschillende basiskleuren om hun foto’s mee te ‘vullen’. Hoe weet je welke kleur waar komt? Dit gebeurt door een object zoals de pilaren te fotograferen met verschillende filters voor de sensor. Een filter laat slechts een bepaalde kleur door die vervolgens wordt geregistreerd door de zwart-wit-sensor.
De zogenoemde Pilaren der Creatie gezien in verschillende golflengtes door ruimtetelescopen Hubble en James Webb.
Wikimedia commons, NASA/Jeff Hester/Paul Scowen/ESA/STScI/AURA/CSA via publiek domeinIn het Hubble-palet corresponderen de kleuren op de foto niet met de kleuren die je zelf zou zien. In zekere zin zijn deze nevels dus ‘ingekleurd’, wat mooie plaatjes voor publicatie oplevert. Sterker nog, deze kleurrijke plaatjes worden vaak speciaal voor PR-doeleinden gemaakt. Toch heeft het werken met dit soort filters niet alleen esthetische redenen. De filters aan boord van Hubble en James Webb laten licht door dat karakteristiek is voor bepaalde chemische stoffen in het heelal. In het geval van de foto van de pilaren correspondeert groen met waterstof, rood met zwavel en blauw met zuurstof. De kleuren laten dus zien welke stoffen waar aanwezig zijn, en dat is waardevolle wetenschappelijke informatie.
Hoe zou het menselijk oog deze nevel zien als we in staat waren er ver genoeg op in te zoomen? Als je er met een gevoelige camera een foto van maakt (zonder filters) dan krijgt de nevel een overwegend rode gloed. Maar zelfs dat rood is voor het menselijke oog amper waarneembaar. De nevel is zo zwak dat we dit met name registreren met de meest lichtgevoelige cellen op het netvlies, de zogenoemde staafjes. Omdat deze staafjes niet gevoelig zijn voor kleur zullen de majestueuze en kleurrijke pilaren voor ons als een grijze vlek ogen.
Radiotelescopen
Voor beelden van radiotelescopen zoals het overwegend Nederlandse LOFAR, het in Chili gehuisveste ALMA of de wereldwijde Event Horizon Telescope (EHT) kiezen de astronomen de kleuren voor de plaatjes die ze maken. Dat is onvermijdelijk, want voor radiostraling zijn onze ogen niet gevoelig. Zo kreeg het zwarte gat dat in 2019 als eerste werd vastgelegd een geel-rode gloed. “Het is een beetje alsof je in het oog van Sauron kijkt (de kwaadaardige macht in de boeken en films ‘In de ban van de ring’ – red.)”, zegt Frans Snik, astronoom van de Sterrewacht Leiden. “Ik denk dat deze kleuren expres zijn gekozen om er een culturele connotatie aan te geven. Een zwart gat met een lieflijke groene gloed zou toch minder indrukwekkend zijn.”
Naast de kleuren is er meer ‘kunstmatig’ aan de beelden van radiotelescopen. Niet in de zin dat het verzonnen is, maar in alle gevallen gaat het om een beeld dat met behulp van een computer is geconstrueerd. Omdat grote radiotelescopen omwille van hun gevoeligheid en het vermogen om scherpe beelden te maken vrijwel altijd uit meerdere (schotel)antennes bestaan, moeten de signalen als het ware gecombineerd worden. Alleen via een wiskundige bewerking ontstaat er een beeld.
Het zwarte gat van sterrenstelsel M87 dat in 2019 werd vastgelegd door de Event Horizon Telescope. In het midden de gepubliceerde afbeelding. Links en rechts zijn afbeeldingen van hetzelfde zwarte gat op verschillende dagen. Niet alleen levert dit per dag een ander plaatje op, ook de manier waarop de data is verwerkt zorgt voor verschillende beelden.
EHT Collaboration/A. Broderick et al.Van het inmiddels beroemde plaatje van het zwarte gat zijn honderden verschillende versies. Sommige verschillen zijn te verklaren doordat er data van verschillende dagen werd gebruikt, maar zelfs op basis van exact dezelfde informatie kwamen verschillende teams binnen de wetenschappelijke samenwerking tot andere beelden. Dat kwam doordat de wetenschappers verschillende algoritmes gebruikten om het beeld op te bouwen.
Maar wacht. Als je op basis van exact dezelfde data verschillende plaatjes kunt maken, kunnen we het uiteindelijke plaatje dan wel vertrouwen? Tom Oosterloo is astronoom bij onderzoeksinstituut ASTRON en zegt dat er binnen de EHT (waar hij zelf geen onderdeel van was) expres met verschillende teams is gewerkt. “Het signaal van het zwarte gat is zwak en er zit een zekere mate van verstoring in. Er zijn meerdere manieren om dit signaal te interpreteren. Ze hebben in feite veel verschillende interpretaties gemaakt en vervolgens is er gekeken welke versie het vaakst opdook”, zegt hij.
Er zijn dus verschillende afbeeldingen van het zwarte gat, en over de details in het uiteindelijk plaatje kun je volgens Oosterloo best discussiëren. “Toch kwamen drie onafhankelijke teams uiteindelijk tot ongeveer hetzelfde plaatje. Ik heb naar de ruwe data gekeken en daarin kun je al zien dat het een ring moet zijn. Dat resultaat staat.”
Sterren wegpoetsen
Astronomen gaan nog een stapje verder met het ‘spelen’ met licht. Zo ontwikkelt astronoom Snik met collega’s geavanceerde zogenoemde coronagrafen. Met deze technologie is het mogelijk om tijdens een opname een groot deel van het sterlicht volledig te blokkeren. Dat is handig als je bijvoorbeeld met een telescoop een planeet wilt fotograferen pal naast een veel fellere ster. Astronomen vergelijken dat wel eens met het vastleggen van een vuurvliegje naast een vuurtoren, dat lukt niet zonder maatregelen.
Een opname van het Keck-observatorium op Hawaï waarop het planetensysteem rondom de ster HR 8799 te zien is. Je ziet vier grote planeten over de loop van zeven jaar om de ster draaien. Het sterlicht wordt met behulp van een zogenoemde coronagraaf geblokkeerd, anders zouden deze planeten niet te zien zijn.
Kun je zoiets nog wel een echte foto noemen? “Uiteindelijk maken we met zo’n coronagraaf een opname met de camera of sensor die we normaal ook gebruiken. We registeren de positie, de helderheid en het spectrum van objecten, dus ja, volgens mij is dit gewoon een foto”, zegt Snik. Wel voegt hij daaraan toe dat het belangrijk is om aan het publiek uit te leggen hoe zo’n opname tot stand is gekomen en waarom dat nodig is. “De zon schijnt tien miljard keer feller dan de aarde, en als je daar van een afstand naar kijkt dan zie je alleen maar sterlicht. Alles in de directe omgeving van de ster is in feite onzichtbaar. Zonder coronagraaf zien we planeten bij andere sterren niet.”
Astronomen zijn dus inventief en creatief met het licht dat in hun telescopen valt. In hoeverre zijn die beelden nog ‘echt’ te noemen? Snik zegt dat je bij die vraag al snel belandt in een filosofisch discours dat ruim twee millennia teruggaat. “Wat ís de werkelijkheid en kunnen we die überhaupt kennen? Waar sommige filosofen uitgaan van één soort absolute waarheid, zeggen andere dat de werkelijkheid altijd een soort construct is van de waarnemer. Het is maar net hoe je naar iets kijkt en welk denkraam je gebruikt.”
Snik: “Als je met je oog direct door een telescoop kijkt dan pikt het de kleuren van zwakke objecten ook niet op, terwijl die er wél zijn. Zelfs het oog als meetapparaat bepaalt hoe wij dingen zien. In die zin zie ik wat betreft ‘echtheid’ geen fundamenteel verschil tussen wat wij zien en een opname van een zwart gat door een radiotelescoop.”