Comment le télescope spatial James Webb crée des images d’objets interstellaires « invisibles »

Le télescope spatial James Webb a récemment stupéfié le monde avec ses premières images de l'espace , y compris une image en champ profond qui a montré l'univers infrarouge plus en profondeur que jamais.

Mais vous ne pouvez pas simplement pointer un télescope sur un coin de l'espace et prendre une photo. Les données collectées par Webb doivent être traduites de l'infrarouge à la lumière visible et transformées en une image avant de pouvoir être partagées avec le public.

Le traitement de ces données en de belles images est le travail de Joe DePasquale du Space Telescope Science Institute, qui était responsable du traitement de certaines des premières images de James Webb, y compris l'emblématique champ profond. Il nous a dit ce qu'il fallait pour donner vie à ces données incroyables.

Une roue de filtres en rotation

Pour recueillir des données sur les nombreux types de cibles que James Webb observera, des trous noirs aux exoplanètes, ses instruments doivent être capables de prendre des mesures à différentes longueurs d'onde dans l'infrarouge. Pour ce faire, ses instruments sont armés de roues à filtres , qui sont des carrousels de différents matériaux qui laissent chacun passer différentes longueurs d'onde de lumière.

Les scientifiques sélectionnent les instruments et les longueurs d'onde qu'ils souhaitent utiliser pour leurs observations, et les roues à filtres tournent pour placer l'élément correspondant devant les capteurs de l'instrument. Bien que l'introduction de pièces mobiles dans une technologie aussi complexe soit toujours un risque, les ingénieurs sont désormais habitués à travailler avec ce type de matériel, car des roues à filtres similaires sont utilisées dans d'autres télescopes spatiaux tels que le télescope spatial Hubble et le Observatoire de rayons X Chandra.

"Il est incroyable que ces engins spatiaux contiennent ces pièces mobiles qui continuent de fonctionner pendant des années et qui sont prêtes pour le vol et résistantes aux radiations", a déclaré DePasquale.

Lorsque Webb observe une cible, il regarde d'abord en utilisant un filtre, puis un autre, puis plus si nécessaire. Pour la première image en champ profond de Webb, il a fallu des données à l'aide de six filtres, chacun produisant une image en noir et blanc. Chaque filtre a été utilisé pour une exposition de deux heures, ajoutant jusqu'à un total de 12 heures de temps d'observation.

Une fois les données collectées, elles sont envoyées aux équipes instrument pour prétraitement ; ensuite, il est livré à DePasquale. "Vous obtenez six images individuelles, chacune correspondant au filtre avec lequel elle a été prise", a-t-il déclaré. Sa tâche est de transformer ces six images en noir et blanc en l'une des images étonnantes de l'espace que nous aimons admirer.

Combiner le noir et le blanc pour créer de la couleur

DePasquale recevra un nombre variable d'images en fonction du nombre de filtres choisis par les chercheurs, puis il les combinera en une seule image. En mappant les données de ces filtres sur des canaux de couleur, il crée une image en couleur. Pour ce travail, il utilisera une combinaison de logiciels d'édition graphique à usage général comme Adobe Photoshop et de logiciels astronomiques spécialisés comme PixInsight, qui a été initialement développé pour l'astrophotographie amateur.

Les filtres peuvent être mappés sur les canaux de toutes sortes de façons, mais généralement, DePasquale dit qu'il mappera sur les canaux rouge, vert et bleu, ou RVB, qui sont couramment utilisés pour les images numériques.

"Combiner des éléments en RVB crée généralement l'image la plus naturelle, car cela est dû à la nature de nos yeux et à la façon dont ils perçoivent la lumière", a-t-il déclaré. « Nous avons des cellules coniques dans nos yeux qui réagissent à la lumière rouge, verte et bleue. Nos yeux sont donc déjà prêts à interpréter le monde de cette façon.

Dans l'image en champ profond, il a pris les six filtres – F090W, F150W, F200W, F277W, F356W et F444W, qui portent le nom de la longueur d'onde à laquelle ils observent – et a combiné les deux filtres de longueur d'onde la plus courte en bleu, les deux longueurs d'onde moyennes filtres en vert, et les deux filtres de longueur d'onde les plus longs en vert. Ceux-ci sont ensuite combinés à l'aide du mode de fusion d'écran dans Adobe Photoshop, qui ajoute les calques pour créer une image couleur.

Dans d'autres images, comme l'image Webb de la nébuleuse Carina , qui a été traitée par la collègue de DePasquale, Alyssa Pagan, chacun des six filtres différents s'est vu attribuer sa propre couleur pour sélectionner toutes les différentes caractéristiques de la nébuleuse. Mais cela n'a pas si bien fonctionné pour le champ profond.

"J'ai essayé de donner à chaque filtre sa propre couleur unique", a déclaré DePasquale. « Cela peut créer une belle image, mais dans le cas du champ profond, cela ne fonctionnait vraiment pas bien. Cela créait des artefacts de couleurs étranges et les galaxies n'apparaissaient pas comme elles le devraient. J'ai donc opté pour cette approche, et cela m'a donné une image couleur plus naturelle.

Une image plus belle

C'est pourquoi le travail de traitement d'images nécessite une touche artistique ainsi qu'une compréhension scientifique. Le travail d'un processeur consiste à créer une image qui représente à la fois avec précision les données et est visuellement attrayante.

Une fois que les données de différents filtres ont été combinées, DePasquale travaille à ajuster les niveaux de couleur de l'image pour rendre quelque chose d'attrayant, mais d'une manière basée sur des principes astronomiques. En ce qui concerne l'image de champ profond Webb, il a ajusté les couleurs en utilisant une galaxie spirale particulière comme point de référence blanc et une zone de ciel vide comme fond gris.

"Lorsque nous avons une image en champ profond ou une image avec beaucoup de galaxies en arrière-plan, mon approche consiste généralement à utiliser des galaxies spirales de face comme point de référence blanc pour l'image entière", a-t-il expliqué.

"C'est parce que les galaxies spirales de face afficheront une population entière d'étoiles, des étoiles les plus jeunes aux étoiles les plus anciennes, représentant toutes les couleurs possibles dans les étoiles", a-t-il déclaré. «Nous passons donc du bleu brillant des jeunes étoiles aux étoiles jaunâtres plus anciennes et tout le reste. Donc, si vous l'utilisez comme point de référence blanc, cela vous donne une image très bien équilibrée dans l'ensemble.

Le regard d'un champ profond

Jusqu'à présent, nous n'avons que deux observatoires capables de créer des images en champ profond : Hubble et Webb. Hubble opère dans la gamme de la lumière visible, tandis que Webb opère dans l'infrarouge, mais les deux prennent des vues de galaxies lointaines dans des parties sombres du ciel. Il est intéressant de comparer l'apparence des champs profonds de chacun et de voir en quoi ils diffèrent.

Les images de Webb auront leur propre aspect unique par rapport aux images d'autres télescopes tels que Hubble. Ceci est particulièrement visible dans la façon dont les étoiles brillantes apparaissent, avec leurs pointes de diffraction distinctives à huit pointes. Cela est dû à laforme du miroir de Webb et est inhérent aux images capturées avec le télescope.

Mais dans l'ensemble, DePasquale dit qu'il vise une cohérence générale entre les images collectées par Webb et celles collectées par Hubble. Après tout, quelle que soit la manière dont les données sont collectées, les objets photographiés sont similaires.

En ce qui concerne les images en champ profond, "c'est quelque chose avec lequel je travaille depuis de nombreuses années", a déclaré DePasquale. "J'ai donc en quelque sorte une idée intuitive de ce à quoi cela devrait ressembler. Et je sais qu'une galaxie spirale de face devrait avoir un certain aspect, les taches lointaines devraient avoir une certaine teinte, et tout ce qui se trouve entre les deux devrait avoir l'air naturel.

Une philosophie de l'infrarouge

Une grande différence entre Webb et Hubble est que Webb est capable de regarder des galaxies encore plus lointaines que Hubble, et nombre de ces galaxies sont si éloignées que leur lumière met très longtemps à nous atteindre. Au fur et à mesure que l'univers est en expansion pendant cette période, cette lumière est décalée des longueurs d'onde de la lumière visible vers l'infrarouge dans un processus appelé décalage vers le rouge.

Cela soulève une énigme : comment les processeurs d'images devraient-ils afficher une galaxie qui serait invisible à nos yeux à cause du décalage vers le rouge, mais qui émettrait de la lumière visible si elle était devant nous ? Le champ profond de Webb est plein de ces galaxies décalées vers le rouge, et même l'amas de galaxies principal relativement plus proche de l'image est également décalé vers le rouge.

"Certaines personnes auront un argument philosophique sur les couleurs de cette image, car l'amas de galaxies est déjà à quatre milliards et demi d'années-lumière. Donc, techniquement, il devrait être décalé vers le rouge. Cela devrait être beaucoup plus rouge qu'il n'y paraît », a déclaré DePasquale.

Mais il choisit plutôt de présenter les données d'une manière qui atténue le décalage vers le rouge et utilise une gamme de couleurs plus large pour donner plus d'informations.

"Au lieu de faire en sorte que toute l'image ait une dominante rouge dessus, faisons de la galaxie spirale que nous voyons sur cette image le point de référence blanc, de sorte que l'amas devienne maintenant blanc au lieu de jaune", a-t-il déclaré. "Et puis, vous obtenez des informations sur les couleurs de tout ce qui se trouve derrière. Ainsi, les galaxies vraiment très éloignées apparaissent maintenant sous forme de points rouges sur cette image, et les autres choses plus proches sont moins rouges.

L'histoire de Webb

Cette approche aide non seulement les téléspectateurs à voir la diversité des galaxies dans le champ profond, mais met également en évidence les capacités particulières de Webb.

"L'histoire avec Webb est qu'il peut voir les galaxies lointaines et lointaines, alors que Hubble arrive à un point où il ne peut plus les voir parce qu'ils se sont décalés vers le rouge dans la lumière infrarouge", a-t-il déclaré.

Cette capacité à rechercher ces galaxies à décalage vers le rouge élevé est ce qui permettra à Webb de voir certaines des premières galaxies qui se sont formées dans le très jeune univers. Ce n'est pas que Webb est simplement plus puissant que Hubble, mais plutôt qu'ils examinent différentes parties du spectre électromagnétique.

Ceci est compliqué par le fait que la résolution de Webb change en fonction de la longueur d'onde qu'il regarde. À des longueurs d'onde plus longues, ses images ont une résolution inférieure. Mais cette relation entre la longueur d'onde et la résolution n'est pas nécessairement une mauvaise chose pour travailler avec des images en champ profond.

"Cela fonctionne bien pour l'image en champ profond car aux longueurs d'onde les plus longues, les galaxies que vous détectez sont vraiment les plus faibles, ou les plus poussiéreuses, et elles peuvent ne pas avoir beaucoup de structure pour commencer", a déclaré DePasquale. "Donc, s'ils sont un peu moins résolus, cela semble en fait très naturel dans l'image."

Savoir scientifique et liberté de création

Le travail des processeurs d'images comme DePasquale est souvent la première façon dont les membres du public s'engagent dans la science spatiale, il est donc important qu'il soit à la fois précis et attrayant. Cela nécessite un certain degré de confiance entre les scientifiques qui effectuent la recherche et les transformateurs qui présentent ce travail au public.

Mais d'après son expérience, dit-il, la plupart des scientifiques sont ravis de voir leur travail traduit en images couleur. "A ce stade de ma carrière, j'en suis arrivé au point où on me donne la liberté de création pour créer une belle image, mais les gens croient que je connais assez bien la science pour pouvoir créer une belle image couleur qui raconte aussi une histoire scientifique », a déclaré DePasquale.

La réaction aux premières images de James Webb en était un exemple. Non seulement les experts spatiaux ont été ravis de voir le potentiel de ce nouveau télescope ; les membres du public du monde entier ont également été étonnés de voir ces nouvelles vues fascinantes du cosmos.

Ce n'est que le début de ce que nous verrons de Webb, avec de nombreuses autres images du télescope à partager au cours des prochains mois.

DePasquale dit que la réaction du public aux premières images est tout ce qu'il espérait. « C'était incroyable à voir. Ils sont littéralement partout. Ils ont été affichés à Times Square, de tous les endroits. C'était incroyable.