Ciel profond, les premiers pas

Des millions de gens ont vu tomber une pomme, Newton est le seul qui se soit demandé pourquoi.
Bernard Baruch.

À la suite de mes expérimentations planétaires de l’année dernière, j’ai consacré les nuits claires de cette fin d’hiver au ciel profond et à l’assimilation des notions nécessaires à l’astrophotographie de celui-ci. Depuis notre emplacement dans la Voie lactée, nous avons la chance d’observer des objets proches comme la célèbre nébuleuse d’Orion qui, brillante et accessible, permet de nous exercer facilement même sous les ciels les plus pollués. J’ai tenté de parfaire ma technique en me concentrant uniquement sur cette cible, minimisant de fait le nombre de paramètres. Je ne suis pas mécontent du résultat et je pense être à présent mieux armé pour la suite. Vous allez pouvoir observer mon évolution au travers de ce billet récapitulatif des quatre tentatives de cette saison riche en enseignements. J’ai également enregistré ma dernière session et compilé un timelapse que voici.

Ce début d’année fut aussi l’occasion d’acquérir de nouveaux équipements comme une monture équatoriale, une caméra CCD dédiée au ciel profond et une roue à filtres. Cet article a pour but d’essayer d’apporter plus de détails sur les étapes visibles dans la vidéo accélérée ci-dessus. Mais aussi de résumer mon processus actuel de mise en station et de fournir quelques retours sur les écueils rencontrés sous macOS.

Notes à propos d’Orion

C’est totalement contre-intuitif, surtout pour un objet que l’on peut voir facilement à l’œil nu, mais la portion de ciel couverte par la chevelure étendue d’Orion correspond en réalité à quatre fois la pleine lune. Ici une image de la région avec quelques secondes de pause depuis un reflex numérique. Nous allons dans notre quête déployer quelques-unes des inventions humaines dans le champ de l’optique pour faire apparaître les beautés de cet objet.

M42, ou le 42e objet répertorié par Charles Messier dans sa chasse à la comète est l’un des plus intenses du ciel d’hiver. Il contient un amas de jeunes étoiles très chaudes ionisant son nuage de gaz et de poussières d’une envergure de 33 années-lumière. Les nébuleuses sont des berceaux de celle-ci et leur matière s’effondrant localement donne naissance à de nouveaux systèmes planétaires. Situés à 1350 années-lumière de la Terre, les photons constitutifs des images présentées dans cet article ont été émis en l’an 670, bien avant les premiers jours de notre célèbre astronome français. Puis, ils ont traversé le vide de l’espace interstellaire avant d’être convertis en électrons au moment de la collision avec le capteur de ma caméra. En mars 2019. L’astrophotographie est une mesure de la lumière résiduelle des incroyables forces et énergies régissant notre univers et dont nous sommes un des nombreux produits, c’est également un témoignage du temps qui s’écoule et des distances qui s’étirent.

Installation

Pour un équipement qui se veut mobile, je constate qu’un diamètre de 20 centimètres est vraiment une limite en matière d’encombrement, bien qu’un tube plus grand tel que le nouveau RASA et surtout son ouverture à F/2 me fasse de l’œil. Pour l’heure, avec la monture et tous les autres équipements, la mise en place de mon 8SE me demande encore pas mal de temps, d’attention et d’énergie. J’ai donc essayé, avant de considérer l’acquisition d’un matériel plus coûteux, de parfaire une routine d’installation afin d’être plus à l’aise durant mes futures sorties campagnardes.

Celle-ci débute par une mise à niveau du trépied et un alignement grossier vers le nord. Étape importante à ne pas négliger et pour laquelle je recommande l’usage d’un vrai niveau à bulle et d’une vraie boussole. Les applications mobiles donnent une bonne approximation et peuvent être utilisées en complément, mais je conseille d’avoir ce matériel pour une plus grande précision. La finesse de l’équilibrage de la monture à l’aide de ses contrepoids ne doit pas être en reste et si tout votre équipement de prise de vue est déjà en place sur le tube c’est le moment de procéder à celui-ci. Je garde un infime déséquilibre en direction opposée sur l’axe d’ascension droite afin que les moteurs soient toujours engagés minimisant par la même occasion un peu des erreurs de suivi (voir la suite de l’article).

Pointage des optiques et caméras

Je profite ensuite des dernières heures de la journée pour viser un objet fixe suffisamment éloigné comme une antenne ou la cime d’un arbre afin d’aligner le télescope (2), le chercheur point rouge (4), la lunette de guidage (1) ainsi que le chercheur à champ large (3) sur cette même cible.

Le but de cette opération est de pouvoir passer entre ces différents instruments pendant l’alignement du télescope tout en étant certain que leurs lignes de visée convergent bien toutes dans la même direction. Les changements d’orientation, effectués à partir d’un chercheur, seront alors cohérents avec tous les autres outils de ciblage ainsi que le tube principal. Investir du temps sur cette étape paye toujours, particulièrement au moment de l’alignement polaire.

Alignement GoTo

Afin de faire connaître notre position à la monture et d’orienter celle-ci correctement sur ses axes de déclinaison et d’ascension droite, je suis la procédure d’alignement à l’aide de deux étoiles. Cela permet à l’ordinateur de la raquette de commande de mettre en corrélation notre position et la rotation de la voûte céleste. Nous allons pouvoir ensuite bénéficier du catalogue embarqué et nous déplacer, mais aussi accompagner un objet précis durant la course de la Terre.

J’accentue toujours la précision en ajoutant quatre étoiles additionnelles, car la portion de ciel dans laquelle j’effectue mon alignement est vraiment restreinte. Je recommande l’usage d’un oculaire réticulé pour cette opération. Il n’est pas évident de juger de la position d’un astre dans le champ et plus particulièrement quand le relâchement de l’œil (distance à laquelle on observe avec confort) est important. Pour ma part, j’ai un oculaire réticulé sur mon tube principal ainsi sur le chercheur grand-angle. J’affiche également un marquage du centre de l’image sur les différents retours vidéo pour m’assister dans tout positionnement exigeant.

Alignement polaire

Polaris, étoile du pôle céleste pour l’hémisphère nord, est le seul point fixe de la voûte tout au long d’une nuit d’observation. Procéder à un alignement de l’axe d’ascension droite sur ce point permet à la monture de suivre un objet à l’aide d’un unique mouvement fluide et continu en compensant la rotation de la Terre. Pour ce faire, il va falloir trouver et centrer Polaris dans un mini télescope placé au cœur de l’axe (1) de la monture. Mais ça, c’est quand Polaris est en vue ce qui n’est pas mon cas.

Heureusement après quelques recherches j’ai pu trouver une méthode logicielle disponible sur la raquette de commande et qui permet de s’aligner sur n’importe quelle étoile. La monture ajuste alors sa position de façon à ce que l’astre de référence choisi soit attendu au centre de l’oculaire si celle-ci avait été correctement alignée sur le pôle céleste. Il nous reste plus qu’à utiliser les poignées d’orientation nord (2) et d’altitude (3) afin de recentrer la cible puis de verrouiller le tout.

Notes à propos de l’alignement polaire

Malgré mes quelques tentatives, j’ai toujours observé un petit décalage que je mettais sur le compte d’un alignement GoTo effectué dans une portion de ciel vraiment trop restreinte pour un calcul précis de ma position, mais j’ai récemment appris qu’un second alignement GoTo était nécessaire après cette procédure et il me tarde de tester afin de parfaire mon suivi, ma netteté d’image et mon temps de pause maximum. Pour le débutant que je suis, cette étape est délicate, car elle détermine en beaucoup de points la qualité et la précision des informations que l’on collecte. Avant d’avoir une représentation mentale claire de la configuration dans laquelle se trouve sa monture et savoir comment agir ou réagir, il est nécessaire de s’exercer encore et toujours. Avantage certain de l’astronomie citadine depuis son balcon, on peut rapidement effectuer des tests sans se déplacer hors de la ville, on ne peut pas perdre à chaque fois.

Mise au point

Comment faire le point d’une source lumineuse sur un plan infini ? Entre l’ajustement du miroir, le back-focus de la caméra, les perturbations atmosphériques, et les mouvements que l’on inflige à la monture en essayant de corriger l’image, rien ne nous facilite la vie dans cette tâche. N’apparaît à l’écran ou dans l’oculaire qu’un point lumineux à la définition plus ou moins précise. Alors il est évident et sans ambiguïté qu’une vague tache blanche ne soit pas le témoin d’une mise au point réussi, mais apprécier davantage celle-ci n’est pas chose aisée. Avec notre capacité de résolution, les étoiles ne sont que des boules brillantes sans réels contours.

C’est avec l’aide d’un masque de Bahtinov obstruant l’ouverture du télescope et créant de la diffraction que nous allons tenter de résoudre notre problème. Pavel Bahtinov est un astronome russe qui proposa en 2008 une amélioration du masque de Hartman ayant la même fonction.

C’est une simple pièce de plastique ou de carton troué d’un motif particulier et placé à l’avant du télescope. En passant au travers des ouvertures du masque, les rayons lumineux diffractent et créent un motif en croix qui évolue en fonction de la mise au point de l’objectif. Grâce à l’image d’étoile à six branches ainsi projetée, il est alors beaucoup plus simple de visualiser les changements que l’on opère. Faire sa mise au point consiste à ajuster le miroir principal afin que la diffraction centrale soit bien la bissectrice de l’angle entre les deux pics externes. Cette formation géométrique indique un point de convergence correcte des rayons. On peut tout de suite observer une amélioration dans le fond de l’image avec certaines étoiles discrètes devenues beaucoup plus définies. Chose quasi impossible sans ce masque tant le point de netteté se situe parfois à un centième de tour de molette.

Notes sur la chaîne optique

Les performances de mon Celestron 8SE ne sont pas vraiment adaptées à la pratique du ciel profond. Son ouverture lente à F/10 n’est pas terrible en face d’un Newton à F/4 ou d’un RASA à F/2. Afin de rendre mon instrument un peu plus polyvalent j’ai ajouté un réducteur de focale le faisant passer à F/6.3, ce qui est déjà bien plus performant et me donne accès à plus d’objets.

Mais cela change certains paramètres et notamment la distance de back-focus. Les informations disponibles étaient assez parcellaires, mais un recul de 105 mm entre la surface du réducteur et celle du CCD semble faire consensus sur les forums. J’ai donc dû revoir mon installation à plusieurs reprises en ajoutant diverses bagues d’allonge.

Guidage

La monture est désormais en place et toute la chaîne optique est à présent calibrée. Je peux enfin m’orienter sur ma cible à l’aide du catalogue d’objet de la raquette GoTo et la monture prendra le relais pour son suivi tout au long de la nuit. En fonction de la technologie employée (ici un entraînement par engrenages), les déplacements opérés par les moteurs peuvent introduire des approximations imperceptibles à l’œil, mais laissant leurs marques sur les clichés dépassant (dans mon cas) la minute. Ce temps de pause maximum est relatif à l’équilibrage de votre monture et sa limite de charge, mais également la qualité de fabrication de celle-ci et la longueur de focale de l’ensemble de l’installation.

Ici aussi, nous pouvons grandement corriger ces erreurs grâce à un télescope et d’une caméra additionnelle (1) qui se chargeront de fixer une étoile à proximité du champ observé. Celle-ci, ultra-sensible, captera alors plusieurs images par seconde et en analysera le contenu. Détectant les subtils mouvements apparents de l’astre, un ordinateur relié à l’ensemble calculera ensuite la correction en déclinaison et en ascension droite à appliquer et ajustera la position par plusieurs impulsions successives (pulse guiding).

Notes à propos du guidage

Mon guidage actuel n’est pas bon (bien au-dessus d’une seconde d’arc), mais je progresse et devrais pouvoir fournir un retour plus précis sur ce point dans un prochain article. Cela fonctionne pour l’heure ce qui est une petite victoire, car l’empilement de librairies de communication avec les montures n’est pas des plus clairs. J’ai dû chercher longuement pourquoi mon Advanced VX n’avait pas son point de montage sur macOS et après quelques vérifications il se trouve que si la connectique est bien de l’USB, les instructions elles sont toujours communiquées comme sur un port série. Après l’installation du driver USB-Serial adéquat, mon ordinateur dialoguait enfin avec la monture. Mes prochaines sessions auront pour objectif d’ajuster les paramètres du suivi et de trouver la configuration idéale.

Prises de vues

Toutes ces étapes nous conduisent enfin à la capture de données représentant notre cible. Et cette formulation est importante, car celle-ci traduit davantage, contrairement au terme de photographie, ce dont il est question : une collecte des informations électriques qui sont le fruit des photons percutant le CMOS ou le CCD de notre caméra. À la différence d’une photo numérique de jour baignant de milliards de photons le moindre millimètre-carré de notre capteur, l’astrophotographe doit se contenter d’informations éparses et d’une source lumineuse lointaine potentiellement mélangée à une lumière résiduelle ambiante. Mais heureusement pour nous, les photons envoyés par notre cible ne sont pas les mêmes d’image en image et chaque nouvel instantané est une collection d’informations légèrement différentes du précédent. Et c’est là ou la technique de traitement numérique entre en jeu. En empilant les clichés et en procédant à la moyenne des informations nous augmentant de façon spectaculaire le signal et sa précision, et donc, la définition de notre image finale. Nous devons nous concentrer sur les données plus que l’image elle-même, car elle sera en quelque sorte recomposée à partir d’une large collection d’information.

Ci-dessus, un exemple de cliché avant empilement. Une seule image donc, et à première vue, celle-ci est entièrement unie. C’est la représentation du signal brut sortant du capteur. Cependant, la caméra a bien stocké de l’information, mais elle est noyée dans le signal majoritairement composé de bruit du capteur s’auto-irradiant d’énergie par la chaleur dégagée due à son fonctionnement, et la représentation du ciel nocturne majoritairement noir. Il est possible d’étirer ces données sur une plage plus large de l’histogramme de l’image afin d’en accentuer la luminosité et d’en isoler les informations qui nous sont les plus utiles. En répétant cette opération de nombreuse fois, nous exposons encore davantage le signal contenu dans cette image. Un cliché d’astrophotographe est un empilement de ces instantanés. Une succession de tranches d’exposition allant de quelques secondes à plusieurs minutes pour un total pouvant souvent dépasser l’heure et occasionnellement la dizaine d’heures. Tout est question de lumière captée et du rapport signal/bruit. Une meilleure ouverture (F/10, F/4, F2) vous fera bénéficier d’un temps d’exposition plus court pour le même résultat.

L’importance de la monture

L’astrophotographie est l’un des champs de la photo les plus exigeants et malgré le fait que celui-ci est effectivement accessible à tout bon appareil numérique, c’est la qualité de la monture et de sa mise en station qui fera la différence sur les cibles les plus discrètes et les plus éloignées. Il nous faudra pauser plus longuement pour collecter un faible signal et cela de la façon la plus stable possible puis répéter l’opération sur plusieurs nuits pour les objets les plus timides.

Pour comparaison, vous pouvez observer ci-dessus un changement drastique entre mes différents essais. Ma maîtrise a évolué, mais le matériel y est pour beaucoup. Disposer d’une monture équatoriale apporte énormément à la qualité du suivi et du temps de pause minimum et cela même sans guidage. Puis vient la caméra dédiée à l’astrophotographie offrant un refroidissement du capteur ce qui réduit grandement le bruit. Le guidage quant à lui corrigera comme nous l’avons vu les imperfections de votre monture et étendra encore le temps d’exposition possible entre deux images. Débuter dans cette discipline ne mobilise pas un grand budget. C’est refréner son envie d’aller plus loin pour parfaire ses clichés qui pose problème. ;)

Le choix du monochrome

Pour continuer dans cette réflexion, le deuxième poste de dépense après l’acquisition d’une monture de qualité serait à mon sens l’achat une caméra monochrome si possible avec un refroidissement ainsi qu’une roue à filtres. Ces deux composants pourront vous accompagner pendant des années. Mais pourquoi faire le choix du mono alors que nous déployons tant d’efforts pour les merveilles colorées des nébuleuses ? En somme, moins de couleurs pour une plus grande définition.

Un capteur d’appareil photo numérique dispose d’un certain nombre de pixels définissant la résolution de l’image qu’il peut produire. Dans les faits, chaque pixel est composé de quatre sous-pixels ayant chacun pour but d’isoler une frange du spectre de la lumière perçue. Le pixel étant carré celui-ci est divisé en quatre malgré un signal composite final basé sur le mélange du rouge, du vert et du bleu. Il y a donc deux sous-pixels verts. Une caméra mono peut quant à elle disposer de trois fois plus de pixels au centimètre carré en s’affranchissant des sous-pixels spécialisés prenant une place importante sur le capteur. L’utilisation d’une roue à filtre à l’avant de celui-ci nous offrira le retour de la couleur et une meilleure captation de celle-ci, mais bien plus encore.

La modularité offerte par les filtres nous ouvre les portes d’une photographie riche, composite et maîtrisée appelée imagerie à bandes étroites. Les nébuleuses en émission nous font parvenir une lumière issue de l’excitation des gaz environnant leur cœur souvent gorgé d’étoiles irradiantes. Cette lumière dispose d’une empreinte identifiable en fonction de la nature des gaz. L’hydrogène, l’oxygène et le soufre sont les plus courants.

Des filtres existent pour ne laisser passer que celle-ci. Les détails de la nébulosité peuvent alors être mis en évidence beaucoup plus efficacement en captant les fines différences de densité dans les nuages qui la compose. Mais d’autres types de filtres sont disponibles et avec la même technique (filtrage du spectre) vous pouvez adjoindre à votre équipement de bonnes barrières contre la pollution lumineuse, la nature et le spectre de nos lumières artificielles étant connue.

Empilement et prétraitement

Nous avons mis en station notre équipement et réglé tous ses instruments, il est temps désormais de réellement imager notre cible. Après avoir configuré le nombre de clichés et leur durée d’exposition désirée, il n’y a plus grande chose à faire. Personnellement, ma soirée consiste à faire des allers-retours entre mon salon et l’installation sur la terrasse afin de garder un œil la progression et m’assurer que le suivi est toujours bon. De temps à autre, j’ouvre une image au hasard pour en vérifier le contenu. Certains astrophotographes pratiquent même leur passion à distance en prenant le contrôle de leur observatoire entièrement automatisé depuis Internet.

C’est une fois tout le matériel rangé, qu’il faut lutter pour ne pas tenter de procéder à la compilation des informations fraîchement enregistrée. J’ai terminé au petit jour à plusieurs reprises en cédant à l’envie de voir le résultat de la nuit. Le processus qui suit a pour but de faire un alignement, un empilement et la moyenne des images collectées et cela pour chaque canal. Via un logiciel dédié (Nebulosity4 pour moi), nous allons traiter notre lot de fichiers en prenant une étoile de référence.

Une fois l’algorithme lancé, celui-ci va ajouter (tel un millefeuille) et décaler chaque image à la précédente afin que le point fixe donné soit au même emplacement. Cet empilement débouche sur un nouveau fichier ou chaque pixel comprend l’intensité lumineuse moyenne du dit pixel, et cela depuis une analyse de tout le lot. Nous répétons cette étape pour la luminosité, les couleurs et d’éventuelles autres couches filtrées avant d’importer celles-ci dans un fichier Photoshop et de procéder à la composition finale.

Composition finale

C’est avec toutes ces notions en tête que je termine cette première saison dédiée au ciel profond, et tout en tâtonnant encore sur bien des points, j’ai essayé d’appliquer au mieux les principes énoncés plus haut durant cette dernière tentative sur la grande nébuleuse d’Orion. Cela avant qu’elle ne disparaisse sous l’horizon pour les six prochains mois. Bien que très perfectible, je ne suis pas mécontent. Cette image représente 95 minutes d’exposition et 240 instantanés combinés sur les canaux de la luminosité, de l’hydrogène, du rouge, du vert et enfin du bleu (LHRVB).

Le gain en précision est impressionnant et j’ai désormais une bien meilleure idée des prochaines améliorations à apporter à mon processus de capture et de traitement. Le suivi bien évidemment, mais aussi mon alignement polaire et ma mise au point. Tout au long d’une nuit d’astrophotographie, je pense qu’il serait nécessaire de réajuster mon focus après des changements de températures importants ou des évolutions dans l’orientation du tube durant sa course.

Enfin de la couleur ! J’essaye de ne pas être focalisé sur celle-ci du moins dans les premiers temps. Les autres sujets sont tellement plus déterminants pour la qualité d’un cliché. C’est tout un pan de cette discipline auquel il va falloir que je m’attelle une fois le processus d’acquisition maîtrisé. L’image présentée ici est une approximation artistique des vraies couleurs basées sur le signal rouge, vert et bleu que j’ai pu collecter. Je souhaite rapidement étendre ma collection de filtres pour être en mesure de capturer des photons issus de l’oxygène et du soufre, cela devrait me rapprocher d’une maîtrise plus avancée de la fausse couleur, notamment avec la palette NASA-Hubble.

Conclusion

Je suis qu’au début de mon voyage et j’ai déjà tant appris ! Collecter de l’information en différé du cosmos a quelque chose de fascinant. Repousser les possibilités de son équipement, voir toute cette communauté de passionnés en ligne est également très énergisant. Depuis l’avènement des caméras numériques, l’astrophotographie amateur a fait un saut spectaculaire et de nombreuses images réalisées avec du matériel relativement accessible n’ont rien à envier aux publications des plus grands télescopes des années 80. Quand le temps le permettra, prenez donc votre appareil photo et pointez-le vers une région du ciel. Risquez l’émerveillement ! Le mot de la fin je le laisse à Perceval de Galles et Arthur roi de Bretagne.

Quelques liens pour continuer

Je vous propose quelques liens pour celles et ceux qui souhaitent en savoir plus.