Photo : NASA / Samuel Buchmann
En coulisse

J'ai essayé de développer de plus belles images que celles de la NASA et j'ai échoué

Samuel Buchmann
11.08.2022
Traduction: Anne Chapuis

La semaine dernière, la NASA a publié une nouvelle image du télescope spatial James Webb. Elle montre la galaxie de la Roue de chariot. Je veux savoir comment de telles images sont créées et si je peux créer une meilleure image que l'image officielle à partir des données brutes.

La dernière image prise par le James Webb Space Telescope (JWST) me laisse une fois de plus bouche bée. On y voit la « Cartwheel Galaxy » (en français : la galaxie de la Roue de chariot) avec un niveau de détail révolutionnaire. Elle se situe à environ 500 millions d'années-lumière. Selon les chercheurs de la NASA, elle a obtenu sa forme unique lors d'une collision avec une autre galaxie. Si vous souhaitez plus de détails astronomiques, je te conseille cet article du New York Times.

Mais en tant que nerd photo, d'autres questions me préoccupent : comment le JWST enregistre-t-il ces images ? À quoi ressemblent les données brutes ? Comment sont-elles développées ? Et puis-je aussi le faire ? Je vous dévoile d’emblée la réponse à la dernière question : oui, mais jamais aussi bien que la NASA.

L'instrument de mesure de la NIRCam se compose de quatre capteurs d'une résolution d'environ 4 mégapixels chacun.
L'instrument de mesure de la NIRCam se compose de quatre capteurs d'une résolution d'environ 4 mégapixels chacun.
Photo : NASA

Tout d'abord, il faut une explication sur le fonctionnement approximatif des caméras du JWST. Oui, vous avez bien lu : caméras au pluriel. Ces dernières sont plus précisément appelées instruments de mesure. Le JWST en a quatre types. Tous enregistrent une partie différente du champ de vision du gigantesque module de miroirs recouvert d'or qui envoie la lumière concentrée vers les capteurs. Pour simplifier, je me concentre sur les deux instruments pertinents pour mon image : la Near-Infrared Camera (NIRCam)et le Mid InfraRed Instrument (MIRI).

Mon image (à gauche) et celle de la NASA (à droite) sont toutes deux une combinaison de différentes prises de vue de la NIRCam et du MIRI.
Mon image (à gauche) et celle de la NASA (à droite) sont toutes deux une combinaison de différentes prises de vue de la NIRCam et du MIRI.
Photo : NASA / digitec

Commence là où nos yeux s’arrêtent : la Near-Infrared Camera (NIRCam)

Commençons par l’essentiel : toutes les couleurs que vous voyez sur les images JWST sont fictives ; sur ma photo (celle de gauche) comme sur celle de la NASA. Les capteurs n'enregistrent pas de couleurs visibles, comme votre Canon ou mon Sony à la maison. Au lieu de cela, ils sont construits pour voir l'infrarouge. Cette « couleur » a une plus grande longueur d’onde que ce que notre œil peut percevoir et les ondes longues sont les seules choses qui parviennent jusqu'à nous depuis les galaxies lointaines. Il y a quelques mois, mon collègue David a expliqué plus en détail pourquoi il en est ainsi dans son article. Pour faire court : l'univers, et donc les ondes lumineuses émises par des objets lointains, semble s'étendre. De plus, l'infrarouge pénètre mieux la poussière cosmique.

Les différents filtres et les longueurs d'onde de lumière correspondantes que la NIRCam peut enregistrer.
Les différents filtres et les longueurs d'onde de lumière correspondantes que la NIRCam peut enregistrer.
Graphique : NASA

Comme vous pouvez le voir sur le graphique, le capteur de la NIRCam enregistre des longueurs d'onde allant d'environ 0,6 μm à 5 μm. L'abréviation « μm » signifie micromètre, soit un millième de millimètre. Les ondes du rouge visible ont environ une longueur d’onde de 0,7 μm. La NIRCam ne prend pas une seule image contenant toutes ces « couleurs » combinées, comme nous le faisons avec nos appareils photo. Elle n'a qu'un capteur monochrome ; c'est un appareil photo noir et blanc.

Pour distinguer malgré tout les différentes longueurs d'onde, la NIRCam effectue plusieurs expositions du même cadrage. Un filtre différent qui ne laisse passer qu'une longueur d'onde spécifique de la lumière (ou de la couleur infrarouge) est utilisé à chaque fois. Vous pouvez voir le côté mécanique dans la vidéo sur la roue de filtres du MIRI.

Capture même les ondes les plus longues : le Mid InfraRed Instrument (MIRI)

Le capteur du Mid InfraRed Instrument (MIRI) va encore plus loin. Il peut enregistrer des longueurs d'onde de 5 à 28 μm. C'est révolutionnaire, car grâce à cela, MIRI peut voir l’espace avec plus de profondeur et de détails que nous ne l'avons jamais fait auparavant. À titre comparatif, le télescope Hubble ne voit que des longueurs d'onde allant jusqu'à 2,4 μm. Pour que le capteur de MIRI fonctionne, il doit au moins être à une température de -267° Celsius. C'est l'une des raisons pour lesquelles la NASA l'a envoyé dans l'espace, lui fait de l’ombre avec une voile et doit quand même le refroidir activement.

Le spectre de couleurs de MIRI s'étend jusque dans l'infrarouge profond.
Le spectre de couleurs de MIRI s'étend jusque dans l'infrarouge profond.
Graphique : NASA

Un puzzle de données brutes

Si tout se passe bien, le résultat de tous ces capteurs et filtres est un tas d'images en noir et blanc du même objet. Ces données brutes sont accessibles au public sur ce site au design directement issu des années 90. Vous trouverez un tutoriel sur la manière de filtrer et de télécharger les données ici. Pour mon image, je limite la recherche à la date à laquelle elle a été publiée, à savoir le 2 août 2022.

Voici à quoi ressemble une seule exposition de la NIRCam, ici avec le filtre f444w.
Voici à quoi ressemble une seule exposition de la NIRCam, ici avec le filtre f444w.
Données brutes : NASA

Mon butin : dix sous-dossiers, étiquetés avec le filtre qui était devant le capteur pour chaque capture. Par exemple f1000w, qui ne laisse passer que la lumière dans la plage de 10 μm. Les fichiers dans les dossiers sont dans des formats que je n'ai jamais vus auparavant. Après une brève recherche, il s'avère qu'il s'agit de fichiers FITS, un format de données astronomiques développé spécialement par la NASA en 1981. Ils peuvent être ouverts avec des programmes spéciaux. Par exemple avec PixInsight ; des licences d'essai de 45 jours sont disponibles. Il existe aussi les logiciels gratuits plus simples comme FITS Liberator.

J'ouvre les dix images dans PixInsight. Quelques tutoriels YouTube et quelques recherches désespérées sur Google, j'ai réussi à en exporter des TIFF. Ah, c'est déjà mieux. Si ce processus vous intéresse ou si vous souhaitez le reproduire, je vous montre dans la vidéo suivante sur quels boutons il vous faut appuyer.

Quelle couleur choisir ?

Avec les dix images au format standard, je passe à Photoshop, un logiciel qui m’est bien plus familier au niveau de l’utilisation. Ici, je les superpose toutes dans un seul document. L'objectif est maintenant de fusionner les dix calques en une image colorée. Pour cela, je dois les rendre perméables tout en les colorant. Je vous explique en détail comment faire dans la vidéo.

Primordial lors du traitement : j'attribue une couleur spécifique à chacune des dix images monochromes de départ. Quelle couleur choisir est en principe une question de goût. Elles sont toutes fausses de toute façon. Je décide de reprendre l'ordre de notre spectre de couleurs visibles. De l'image avec les longueurs d'onde invisibles les plus courtes, celle avec le filtre f090w, je fais donc la couleur avec les longueurs d'onde visibles les plus courtes : le violet. Viennent ensuite l’indigo, le bleu, le vert et ainsi de suite.

Je colore chaque photo avec une couleur différente. Celle prise avec le filtre f200w est bleu clair.
Je colore chaque photo avec une couleur différente. Celle prise avec le filtre f200w est bleu clair.
Données brutes : NASA

Les images issues de la NIRCam ont une bien meilleure résolution (environ 18 mégapixels) que celles du MIRI (seulement 1 mégapixel environ). Dans le cas de la galaxie de la Roue de chariot, les images prises avec les filtres situés dans la plage de 2 à 4 μm semblent présenter le meilleur rapport entre les informations de l'image et le bruit. C'est de ces dernières que je peux tirer le plus de choses. Les images du MIRI doivent être fortement mises à l'échelle. Je dois également modifier massivement les valeurs tonales pour pouvoir reconnaître quoi que ce soit. Malgré tout, au final, on y voit des choses que la NIRCam ne montre pas, en particulier l'image MIRI que j'ai colorée en jaune avec le filtre 10 μm est clairement intégrée au composite final.

Mon image développée, une combinaison de dix prises de vue.
Mon image développée, une combinaison de dix prises de vue.
Données brutes : NASA

Conclusion : je laisse la maison aux professionnels

Je ne suis qu'à moitié satisfait de mon résultat final. Les couleurs me plaisent certes davantage que celles de la NASA, mais sur l'image officielle, on distingue beaucoup plus de détails et moins d'artefacts sur l’image, en particulier dans la zone des « rayons » de la galaxie. Cela s'explique notamment par le fait que j'ai complètement ignoré des choses élémentaires comme les images d'étalonnage. Je n'ai pas assez de connaissances pour cela et le coût d'un développement d'image propre serait gigantesque pour moi. À l’avenir, je laisserais volontiers cela aux professionnels, mais l'expérience a été un aperçu passionnant de l'univers du télescope spatial.

L'image de la NASA est nettement plus propre et plus détaillée que la mienne.
L'image de la NASA est nettement plus propre et plus détaillée que la mienne.
Photo : NASA

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Mon empreinte digitale change régulièrement au point que mon MacBook ne la reconnaît plus. Pourquoi ? Lorsque je ne suis pas assis devant un écran ou en train de prendre des photos, je suis probablement accroché du bout des doigts au beau milieu d'une paroi rocheuse. 


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