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Espace : dans l'oeil du télescope

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En avril 2015, Hubble aura 25 ans. Premier télescope spatial d’envergure lancé par la NASA et l’ ESA en 1990, il est à l'origine de nombreuses avancées dans le domaine de l'astrophysique grâce à son observation de la lumière visible, de l’ultraviolet et de l’infrarouge. Galaxies lointaines, nébuleuses colorées… les photos du télescope spatial Hubble (HST), outre leur valeur scientifique, ont contribué au succès de la science auprès du grand public, tant leurs sujets, inaccessibles, tiennent du rêve. Ces objets célestes ont un côté si irréel qu'on peut légitimement se poser la question : les couleurs qui s'affichent sur le papier ou à l'écran sont-elles réalistes ? Des images "représentatives" aux images réalistes, difficile de faire la lumière sur ces photographies, tant elles en dépendent.

La galaxie du Sombrero, photographiée par Hubble.
La galaxie du Sombrero, photographiée par Hubble.

Si les télescopes spatiaux offrent des images plus nettes des galaxies distantes, c'est avant tout parce que l'atmosphère terrestre affecte la lumière venue des objets astronomiques, et ce avant même qu'elle n'atteigne les télescopes situés sur la terre ferme. L'atmosphère crée un écran totalement opaque pour certaines ondes envoyées par les astres et dénature l'intensité, la couleur, voire la direction du rayonnement stellaire. Ce phénomène de turbulences atmosphériques, comme l'explique François Hammer, astrophysicien et cosmologiste à l'Observatoire de Paris, est à l'origine de l'effet de scintillement des étoiles, facilement observable à l'oeil nu :

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Les astronomes utilisent le terme "seeing " ("qualité de la visibilité" en français) pour décrire la stabilité de l'atmosphère. Sur Terre, les meilleures conditions possibles pour obtenir un faible "seeing" sont au sommet du volcan Mauna Kea à Hawaii, à plus de 4200 m d'altitude. Et là encore, le "seeing " est toujours présent.Tout l'intérêt des télescopes spatiaux, Hubble le premier, est donc de s'affranchir de la dégradation des images causées par le scintillement. En quittant l'atmosphère, le Télescope Spatial Hubble (HST) a permis aux astronomes d'échapper au "seeing " bien que, suite à une erreur de conception de sa lentille, il ait fallu attendre 1993 pour que le télescope soit opérationnel :

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Le télescope spatial Hubble, en 1997.
Le télescope spatial Hubble, en 1997.

Représenter l'astronomie "visible"
Hubble, et bien d'autres télescopes, permettent donc d'étudier le domaine du visible. Plus une image est lumineuse, plus elle est susceptible de fournir des informations aux astronomes. Les télescopes spatiaux peuvent ainsi étudier des objets 100 fois moins lumineux au sol que dans l'espace. L’une des images les plus connues réalisée par le HST donne une mince idée des milliards de galaxies qui peuplent notre univers à étudier, chacune d'entre elles comportant à son tour des milliards d’étoiles.

On voit une chose intéressante dans cette image, c’est que ces galaxies n’ont pas les mêmes couleurs. Plus les galaxies s'éloignent de nous, plus elles ont une couleur rouge ”, observe François Hammer :

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La différence entre un télescope doté d’une caméra CCD (ndlr : qui “capture” les photons lumineux reçus) et l’oeil humain, c’est que l’oeil humain n’est pas capable d’accumuler de la lumière, explique Florence Durret, astronome à l'Institut d’astrophysique de Paris. Nous ne voyons pas les objets faibles parce que, simplement, nous ne sommes pas capables d’emmagasiner de la lumière alors qu'avec une caméra CCD, que l’on retrouve maintenant jusque dans nos téléphones portables, on peut faire varier le temps de pose. On va enregistrer toute la lumière qui parvient pendant ce laps de temps. Notre oeil est incapable de faire ça ” :

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Chaque image prise par le télescope Hubble est truffée d’imperfections dues aux rayonnements cosmiques (les particules de haute énergie circulant dans le vide interstellaire) : trainées d’escargot, pixels trop lumineux, etc. Plus le temps d’exposition est long, plus ces défauts sont nombreux. Les rayons cosmiques laissent cependant, à chaque temps de pose, une signature unique. Pour corriger ces imperfections, chaque photographie prise par Hubble consiste, au minimum, en deux expositions différentes à une même scène. Ne reste plus alors aux logiciels qu’à comparer les différentes prises de vue et à en supprimer les erreurs.Idéalement, afin de dresser ces portraits d’objets célestes, trois images en noir et blanc sont prises avec des filtres de couleur. On obtient ainsi chaque image monochrome en rouge, vert et bleu. Il en résulte une image pouvant contenir jusqu’à 16.7 millions de couleurs différentes, soit assez de nuances pour créer une image exhaustive et réaliste.

Au delà du visible : l’ultraviolet et l’infrarouge
La lumière visible, c'est l'ensemble des ondes électromagnétiques comprises entre 380 nanomètres (violet) et 720 nm (rouge). Quand on sort de ces longueurs d'onde sur le spectre électromagnétique, on parle de lumière noire pour qualifier ou bien l'ultraviolet (UV), ou bien l'infrarouge (IR).

Spectre électromagnétique et longueur d'ondes
Spectre électromagnétique et longueur d'ondes

Ces longueurs d’onde ont beau être invisibles à l'oeil nu, il est possible de les détecter avec un matériel identique à celui utilisé en astronomie visible, et dont Hubble est équipé. En observant l'ultraviolet et l'infrarouge, Hubble est susceptible de découvrir de nouvelles informations sur la nature des sujets observés.

Les longueurs d’ondes plus grandes que le rouge permettent ainsi de repérer des objets dissipant moins d’énergie, c’est à dire plus froids : il s’agit de l’infrarouge. Dans cette partie du spectre électromagnétique, Hubble peut détecter des étoiles plus vieilles que le Soleil, mais surtout deviner ce qui est caché par la poussière. Dans l’espace, “les poussières absorbent tout sauf l’infrarouge, qu’elles réemettent ”, détaille François Hammer :

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Une vue de la constellaton d'Orion en lumière visible avec le télescope spatial Spitzer.
Une vue de la constellaton d'Orion en lumière visible avec le télescope spatial Spitzer.

A l’inverse, les longueurs d’ondes plus petites que le bleu sont qualifiées d’ultraviolettes. Les photos réalisées à l’aide de rayonnements ultraviolets (absorbés par les gaz de l’atmosphère terrestre, donc inaccessibles depuis le sol) sont sensibles à des sources plus chaudes, dissipant cette fois davantage d’énergie :

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En détectant toutes ces ondes lumineuses, Hubble ou d’autres télescopes spatiaux peuvent isoler des caractéristiques particulières des objets célestes, comme avec la galaxie NGC152 ci-dessous. C’est la juxtaposition de la totalité de ces prises de vue qui donne une image réaliste de ce à quoi ressemble une galaxie :

Image finale de la galaxie NGC1512, vue par Hubble.
Image finale de la galaxie NGC1512, vue par Hubble.

De fausses couleurs ?
Dans la mesure du possible, les astronomes essayent de restituer des couleurs fidèles à celles que nous pourrions percevoir à l’oeil nu. Mais il peut aussi être plus intéressant pour eux de modifier des couleurs afin de rendre visible certaines particularités des objets célestes, notamment la nature des gaz représentés à l’image.Sur Saturne par exemple, des astronomes ont associé des couleurs différentes selon la longueur des ondes infrarouges : proches, moyennes et lointaines sur le spectre électromagnétique. Selon la réflexion de la lumière du soleil dans les nuages, les astronomes sont en mesure de déterminer s’il y a des nuages en haute atmosphère, ainsi que leur densité ou composition chimique selon les nuances de couleurs :

Saturne, vue en infrarouge.
Saturne, vue en infrarouge.

Les nébuleuses, principalement composées de gaz ionisés et de poussières interstellaires, nécessitent de décomposer la lumière à l’aide de prismes, pour déterminer la nature exacte des gaz qui les composent. "On va voir des raies d'émission, des pics dans le spectre, qui sont dus aux gaz" , précise Florence Durret :

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Les astronomes, afin de distinguer différents gaz ayant des raies d’émission proches, peuvent leur attribuer des filtres de couleur différents afin de les distinguer clairement à l’image. Dans le jargon des astronomes, cosmologistes et astrophysiciens, on parle alors d’”image représentative”, voire de “fausse image” :

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Pour représenter une des plus célèbres nébuleuses, la Nébuleuse de l’Aigle, plus connue sous le nom des “Piliers de la création”, on associe ainsi à l’hydrogène (qui émet dans la longueur d’onde rouge sur le spectre lumineux) un filtre vert, car sa longueur d’onde est plus courte que celle du soufre (également en rouge). Et ce afin d’obtenir toute l’ampleur du spectre de couleur sur l’image visible finale qui, bien que “représentative”, n’en reste pas moins splendide :

La Nébuleuse de l'Aigle.
La Nébuleuse de l'Aigle.

Plus loin encore sur le spectre : rayons gamma et ondes radios
Le spectre électromagnétique ne s’arrête ni aux ultraviolets ni aux infrarouges, mais pour observer plus loin, il est nécessaire d’avoir un matériel particulier, dont n’est pas équipé Hubble.Les rayons gammas et X sont situés au delà de l’ultraviolet sur le spectre électromagnétique. S’ils ont une longueur d’onde plus courte, ils possèdent aussi beaucoup plus d’énergie. Il est possible, grâce à cela, de détecter les évènements les plus violents de notre univers, des réactions nucléaires des étoiles pulsars jusqu’à la présence (ou l'absence ?) de trous noirs. Heureusement, ces rayons ne passent pas l’atmosphère terrestre, sans quoi la vie sur Terre n’existerait pas, comme l’explique François Hammer :

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A l’autre bout du spectre électromagnétique, on observe cette fois les ondes radio, qui ont la longueur d’onde la plus importante (supérieure à 1 mm) mais l’énergie la plus faible :

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Chaque longueur d’onde est donc susceptible d’apporter de nouvelles informations aux astronomes et astrophysiciens. Une illustration de la Voie Lactée réalisée par la Nasa montre comment une seule et même image, à des fréquences différentes du spectre électromagnétique, peut afficher des informations totalement différentes.

La Voie lactée, vue dans différentes longueurs d'onde.
La Voie lactée, vue dans différentes longueurs d'onde.

A regarder ces images de la Voie lactée, on constate que la photographie optique “classique” (la troisième en partant du bas), laisse une bonne partie de l’image noircie, voilée par des nuages de poussière. Les autres images affichent, elles, différentes sources d’énergie.

Matière sombre, trous noirs, origine de l'univers... Les télescopes spatiaux, Hubble le premier, sont synonymes d'une meilleure compréhension de notre univers. Après 25 ans de bons et loyaux services, le HST devrait voir son successeur plus performant, le James-Webb, se placer en orbite à l'horizon 2018. Pour autant, pas question pour les astronomes et astrophysiciens de laisser Hubble prendre sa retraite. Ils comptent bien user du satellite jusqu'à ce qu'il devienne complètement aveugle.
The meaning of color in Hubble images

Le site du HST,interactif, où est expliqué comment sont créées les images prises par Hubble.

Top 100 des images prises par Hubble

100 des plus belles photos prises par le télescope spatial.