ウェッブ衛星が100万マイルの地球に100万画素の画像を送信する仕組み

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ウェッブ版は、これらの小さなバージョンを見ても、はるかに詳細な描写が見られることは誰の目にも明らかです。星雲のきらめく質感は、複雑な雲の形やかすかな切れ端へと分解され、より多くの星、そしておそらく銀河も鮮明に見えています。（ただし、ハッブル宇宙望遠鏡の画像にも独自の魅力があることを付け加えておきます。）

キャプチャされる詳細レベルを強調するために、中央から左上に向かって 1 つの領域だけを拡大してみましょう。

すごいですよね？でも、この詳細にはデータというコストがかかります。

ハッブル宇宙望遠鏡の画像は約23.5メガピクセルで、非圧縮時のデータサイズは32メガバイトです。一方、ウェッブ宇宙望遠鏡の画像（処理後の状態で公開）は123メガバイト、約137メガバイトです。これはハッブル宇宙望遠鏡の5倍以上のデータ量ですが、それだけでは全体像は分かりません。ウェッブ宇宙望遠鏡の仕様によると、ハッブル宇宙望遠鏡の25倍のスループットでデータを送信可能で、画像サイズが大きいだけでなく、より多くの画像を、しかも3,000倍も遠くから送信できるのです。

長距離電話

ハッブル宇宙望遠鏡は地表から約340マイル（約550キロメートル）の低軌道を周回しています。つまり、ハッブル宇宙望遠鏡との通信は非常に簡単です。スマートフォンははるか遠くにあるGPS衛星からの信号を確実に受信でき、NASAの科学者にとって、これほど近い軌道にある衛星と情報をやり取りするのは子供の遊びのようなものです。

一方、JWSTは第二ラグランジュ点（L2）に位置し、地球から約100万マイル（約160万キロメートル）離れており、太陽からまっすぐに離れています。これは月が到達する距離の4倍に相当し、ある意味でははるかに困難な課題です。NASAが作成した軌道を示すアニメーションをご覧ください。

幸いなことに、この種の通信は前例のないものではありません。私たちはこれまで、はるか遠くから大量のデータを送受信してきました。また、ウェッブと地球がどの時点にあるのかも正確に把握しています。ですから、簡単ではありませんが、適切なツールを選び、綿密なスケジュールを立てるだけで済むのです。

ウェッブ衛星は当初から、他の衛星通信に使用されている帯域（例えばスターリンクなど）と同等の25.9ギガヘルツ帯のKa帯電波で送信するように設計されていた。（例えばスターリンクもKa帯を使用しており、その帯域付近の他の衛星も同様にKa帯を使用している。）

このメインの無線アンテナは、約 28 メガビット/秒の送信能力があり、これは家庭用ブロードバンドの速度に匹敵します。つまり、ルーターからの信号が 100 万マイルの真空を通過してラップトップに到達するのに約 5 秒かかると仮定した場合の速度です。

これにより、1日あたり約57ギガバイトのダウンリンク容量が得られます。さらに、低帯域のSバンド（驚くべきことに、Bluetooth、Wi-Fi、ガレージドアオープナーと同じ帯域）で動作する2つ目のアンテナがあり、ソフトウェアアップデート、テレメトリ、ヘルスチェックといった低帯域の用途に予約されています。詳細にご興味があれば、IEEE Spectrumに詳細な解説記事が掲載されていますので、ぜひご覧ください。

しかし、これは単なる定常的なデータの流れではありません。地球の自転やその他の要因が影響することもあるからです。しかし、ウェッブ宇宙望遠鏡が扱うのは主に既知の変数であるため、チームは4～5ヶ月前から通信計画を立て、ディープ・スペース・ネットワークを介してデータを中継します。ウェッブ宇宙望遠鏡はデータを捕捉して当日に送信することもありますが、捕捉と送信はどちらもずっと以前から計画されていました。

興味深いことに、Webb の内部ストレージ容量は約 68 GB しかないため、57 GB しか送信できないとしたら不安になるだろうと思われるが、そのデータをオフロードする機会は十分にあるため、あの恐ろしい「ドライブがいっぱいです」というメッセージが表示されることはない。

しかし、最終的に私たちが目にするもの、つまり123MBもの大きな非圧縮TIFF画像でさえ、衛星が捉えているものとは異なります。実際、衛星は私たちが認識しているような色彩を全く認識していないのです。

「データを色で表示する」

センサーに取り込まれるデータは赤外線で、これは人間が見ることができる狭い帯域を超えています。もちろん、この帯域外を見るために様々な方法を用いています。例えばX線は、フィルムや、X線を検出するように調整されたデジタルセンサーに当てることで、人間が見ることができる形で捉え、表示します。ウェッブも同様です。

「この望遠鏡は、いわゆるオートフォーカスカメラではありません。写真を撮ればそれで終わり、というわけではありませんよね？科学機器ですから、何よりもまず科学的な成果を生み出すために設計されたのです」と、宇宙望遠鏡科学研究所のジョー・デパスクアーレ氏はNASAのポッドキャストで説明した。

検出されるのは、人間が解析できるデータどころか、直接知覚できるデータではありません。まず、ダイナミックレンジが桁外れに広いのです。つまり、最も暗い点と最も明るい点の明るさの差が極めて大きいのです。宇宙の無限の空白よりも暗いものはなく、爆発する太陽よりも明るいものはほとんどありません。しかし、その両方を含む画像を数時間かけて撮影した場合、データ内の明るさと暗さの間には大きな差が生じてしまいます。

我々の目や脳はかなり優れたダイナミック レンジを持っていますが、これはそれをはるかに上回っています。さらに重要なのは、それを示す方法が実際に存在しないことです。

「ダイナミックレンジが非常に広いため、基本的には黒い画像の中に白い斑点がいくつかあるように見えます」とデパスクアーレ氏は述べた。「データのストレッチと呼ばれる処理が必要です。これは、ピクセル値を取得して、基本的にそれらを再配置することで、そこに存在するすべてのディテールが見えるようにします。」

何らかの異論を唱える前に、まず知っておいていただきたいのは、基本的にすべての画像はこのように作られているということです。つまり、スペクトルの一部を切り取り、非常に優秀でありながらも限界のある私たちの視覚システムで見られるように調整するのです。私たちは赤外線を見ることはできず、その周波数帯には赤、青、緑に相当する色が存在しないため、画像分析者はデータの客観的な利用と、知覚や美しさに関する主観的な理解を組み合わせた複雑な作業を行わなければなりません。色は波長と同じような順序で対応している場合もあれば、あるいは「見た目」は似ているものの、放射する光が大きく異なる領域をより論理的に強調するために分割されている場合もあります。

天体写真の画像処理コミュニティでは、このプロセスを以前は「代表色」と呼んでいましたが、今でも多くの人が「擬似カラー画像」と呼んでいます。私はこの「擬似カラー」という言葉が好きではありません。なぜなら、この言葉には、偽物を作っている、あるいは、見た目とは違う、というニュアンスがあるからです。データはデータです。画像に色を塗りつけるようなことはしません。最初から最後までデータを尊重し、データが色を通して見えるようにしているのです。

上の画像、星雲の2つの画像を見てください。これらはほぼ同じ角度、ほぼ同じ時間に撮影されたものですが、赤外線スペクトルの異なる部分を捉える異なる機器を使用しています。最終的にはどちらもRGBで表示する必要がありますが、高波長域の観測で発見された異なる天体や特徴は、このような独創的でありながら科学的に厳密な色分け方法によって可視化することができます。

もちろん、データが視覚的な表現としてよりもデータとして有用な場合は、さらに抽象的な方法でデータを見ることもできます。

遠く離れた太陽系外惑星の画像には点しか映らないかもしれませんが、スペクトログラムでは、すぐ上の例でわかるように、その惑星の大気の詳細が明らかになります。

ウェッブのような衛星のデータを収集、送信、受信、分析、そして提示することは複雑な作業ですが、ウェッブが稼働を開始した今、何百人もの研究者が喜びと熱意を持ってこの作業に取り組んでいます。この情報をさらに創造的で魅力的な方法で提示できるようになることを期待しています。JWSTははるか彼方でミッションを開始したばかりで、私たちには多くの楽しみが待っています。