詹姆斯·韋伯望遠鏡如何從百萬英里外向地球發回大量數據？
據TechCrunch報導，美國宇航局（NASA）剛剛披露了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的第一批全彩圖像，從令人敬畏的星系深場到一個遙遠的系外行星大氣層的微小特徵。但是，百萬英里外的航天器是如何將數十GB的數據傳回地球的呢？
首先讓我們來談談圖像本身。這些不是普通的JPEG圖片–而且韋伯也不是普通的相機。像任何科學儀器一樣，韋伯從它的儀器、兩個高靈敏度的近紅外和中紅外傳感器以及大量的附件中捕捉和發送大量的原始數據，這些附件可以根據需要將它們專門用於光譜學、日冕儀和其他任務。
TechCrunch以最近發布的第一批圖像中的一張為例，進行直接比較。
哈勃望遠鏡更能與傳統的可見光望遠鏡相媲美，它在2008 年拍攝了這張船底座星雲的照片：
當然，這是一張令人難以置信的圖像。但是哈勃更類似於傳統的可見光望遠鏡，更重要的是它是在1990年發射的。從那時起，技術已經發生了一些變化。
下面是韋伯的同一區域的版本：
對任何觀眾來說，即使是看這些小的版本，韋伯的版本也有明顯的細節。星雲的“薄紗質地”被分解成了複雜的雲層和霧狀物，更多的恆星和可能的星係都清晰可見。
讓我們放大一個區域，以強調所捕捉到的細節水平，從中心向左和向上：
哈勃的圖像約為2350萬像素，未經壓縮時為32MB。韋伯的圖像（處理後提供的）約為123MB和137MB。這是約四倍的數據，但即使這樣也不能說明全部問題。韋伯的規格要求它以哈勃25倍的吞吐量發回數據–不僅是更大的圖像，而且是更多的圖像……來自3000倍遠的地方。
哈勃處於低地球軌道，距離地面約340英里。這意味著與它的通訊其實很簡單–你的手機可以可靠地從更遠的GPS衛星上獲得信號，而對於NASA的科學家來說，在這麼近的軌道上來回傳遞信息是小菜一碟。
另一方面，韋伯望遠鏡位於第二拉格朗日點，即L2，距離地球約100萬英里，直接遠離太陽。這是月球所能達到的距離的四倍，在某些方面是一個更困難的命題。下面是美國宇航局的一個動畫，顯示了這個軌道的樣子。
幸運的是，這種類型的通信遠非史無前例；科學家們已經從更遠的地方發送和接收了大量的數據。而且知道韋伯和地球在任何時候的確切位置，所以雖然這不是小事，但實際上只是為這項工作挑選合適的工具，並進行非常仔細的安排。
從一開始，韋伯號就被設計為在無線電波的Ka波段上傳輸，在25.9千兆赫的範圍內，遠遠超出了其他衛星通信所使用的範圍。(例如，星鏈也使用Ka波段，以及其他圍繞該區域的波段）。
那個主要的無線電天線能夠每秒發送約28兆比特，這與家庭寬帶速度相當–如果來自你的路由器的信號花了約五秒鐘穿過一百萬英里的真空到達你的筆記本電腦。
這使得它每天有大約57 GB的下行鏈路容量。有第二根天線在較低的S波段運行–令人驚訝的是，與藍牙、Wi-Fi和車庫門開啟器使用的波段相同–保留給低帶寬的東西，如軟件更新、遙測和健康檢查。如果你對具體細節感興趣，IEEE Spectrum有一篇很好的文章，更詳細地介紹了這一點。
不過，這並不是一個恆定的流，因為地球旋轉和其他事件可能會干擾。但是因為他們處理的大多是已知的變量，韋伯團隊提前四五個月就計劃好了他們的接觸時間，通過深空網絡轉發數據。韋伯號可能會在同一天捕獲數據並發送，但捕獲和傳輸都是在很久以前就計劃好的。
有趣的是，韋伯號內部只有大約68 GB 的存儲空間，如果它能發送57 GB ，你會認為這將使人們感到緊張–但它有足夠多的機會來卸載這些數據。
“讓數據以顏色顯示出來”
進入傳感器的數據是紅外線的，這超出了人類可以看到的狹窄的顏色帶。當然，科學家們使用很多方法來看到這個波段之外的東西，例如X射線，科學家們通過讓它們撞擊膠片或校準過的數字傳感器來捕獲並以我們能看到的方式查看。這對韋伯來說也是一樣的。
“望遠鏡並不是真正的點陣相機。所以它不像我們可以只拍一張照片，然後就有了，對嗎？它是一個科學儀器。所以它的設計首先是為了產生科學結果，”太空望遠鏡科學研究所的喬-德帕斯誇爾在美國宇航局的播客中解釋道。
它所探測到的並不是人類可以解析的真正數據，更不用說直接感知了。首先，它的動態範圍是超乎想像的–這意味著最暗和最亮的點之間的幅度差異。基本上沒有什麼比空間的無限空白更暗，也沒有比爆炸的太陽更亮的東西。但是，如果你有一張包括這兩者的圖像，在幾個小時內拍攝，你最終會在數據中出現巨大的暗和亮之間的差距。
DePasquale說：“它基本上看起來像一個黑色的圖像，裡面有一些白色的斑點，因為它有如此巨大的動態範圍。我們必須做一些叫做拉伸數據的事情，這就是把像素值和排序重新定位，基本上，這樣你就可以看到那裡的所有細節。”
在你以任何方式反對之前，首先要知道，這基本上是所有圖像產生的方式–光譜的一個選擇被切割出來，並適應人們非常有能力但也有限的視覺系統的觀看。因為我們不能看到紅外線，而且在這些頻率上沒有紅、藍、綠的對應物，所以圖像分析員必須做複雜的工作，將數據的客觀使用與主觀理解的感知和實際上的美結合起來。顏色可能對應於類似順序的波長，或者也許被分割開來，以更合理地突出那些”看起來”相似但發出巨大不同輻射的區域。
“我們喜歡在，你知道，在天體攝影的成像界喜歡把這個過程稱為’代表色’，而不是過去所說的，仍然有很多人稱之為’假彩色圖像’。我不喜歡’假彩色’這個詞，因為它有這樣的含義，即我們在偽造它，或者這不是真的看起來像什麼；數據就是數據。我們不是去那裡應用，就像在圖像上畫顏色。我們從頭到尾都在尊重數據。我們允許數據通過顏色來顯示。”
如果你看一下上面的圖片，這兩個星雲的視圖，考慮一下它們是從同一個角度，在差不多相同的時間拍攝的，但是使用了不同的儀器，捕獲了不同的紅外光譜段。儘管最終兩者都必須以RGB顯示，但通過檢查更高的波長所發現的不同天體和特徵，可以通過這種有創意但又科學嚴謹的顏色分配方法使之可見。
當然，當數據作為數據比作為視覺表現更有用時，還有更抽象的方法來看待它。
一顆遙遠的系外行星的圖像可能只顯示了一個點，但光譜圖顯示了其大氣層的細節，正如你在上面的這個例子中看到的那樣。
收集、傳輸、接收、分析和展示像韋伯這樣的數據是一項複雜的任務，但現在它已經開始運行，數百名研究人員正興高采烈地投身其中。預計將有更多創造性和迷人的方式來顯示這些信息–隨著韋伯剛剛開始它的任務，在一百萬英里之外，我們有很多期待。