Le coin de l'astrophotographe

La photographie astronomique à haute résolution

Un grand merci à Thierry Legault pour tous ces conseils...

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L'imagerie à haute résolution est la technique qui consiste à obtenir des images planétaires, lunaires ou solaires aussi fines et détaillées que possible.

Bien que de nombreuses images planétaires et lunaires soient qualifiées d'images à haute résolution, très peu en sont réellement. Seules les images dont la résolution n'est pas trop éloignée des capacités théoriques de l'instrument avec lequel elles ont été prises méritent cette appellation. Malheureusement, il ne suffit pas d'installer une caméra CCD sur n'importe quel instrument (même de grand diamètre) et dans n'importe quelles conditions pour obtenir automatiquement des images à haute résolution !

La dimension des plus petits détails planétaires que peut retransmettre un instrument donné ne doit pas être confondue avec son pouvoir séparateur visuel donné par la formule (empirique et approximative) :

R = 120/D (R en secondes d'arc, D en millimètres)

Cette valeur s'applique uniquement aux étoiles doubles, elle indique la séparation minimale approximative que doit présenter un couple d'étoiles de même magnitude pour pouvoir être visuellement séparé. Le fait qu'un détail planétaire soit ou non détecté dépend de nombreux facteurs tels que sa forme et son contraste. Dans des conditions favorables, des détails d'une taille inférieure au pouvoir séparateur stellaire de l'instrument peuvent être. L'image de Saturne de la page d'accueil en est un exemple : la division de Cassini mesure 0,7" aux extrémités de l'anneau, mais seulement 0,3" lorsque l'anneau atteint le bord de la planète. Néanmoins il est encore nettement visible à cet endroit, alors que le pouvoir de résolution stellaire théorique de l'instrument est de 0,55".

La figure ci-dessous présente les courbes de FTM relatives au même instrument, comparativement sur des objets de faible contraste (surface planétaire) et de fort contraste (Lune, étoile double, division de Cassini, ombre d'anneau ou de satellite, bord d'une planète). Pour être détecté, un détail doit présenter un contraste suffisant. Le seuil de contraste est ici fixé arbitrairement à 5 %, mais sa valeur réelle dépend en pratique de facteurs tels que la luminosité de l'objet et la technique employée (visuel, photographie ou CCD). On constate que la limite de résolution sur un objet de fort contraste (intersection des courbes rouge et verte) est plus élevée que la limite sur un objet de faible contraste (intersection des courbes bleue et verte).

Dans la pratique, tous les problèmes affectant l'instrument et son environnement contribuent à diminuer le contraste, et par conséquent à aplatir la courbe de FTM : obstruction, aberrations optiques (chromatisme, aberration de sphéricité, astigmatisme, zone, mamelonnage, etc.), reflets, turbulence atmosphérique, défaut d'équilibrage thermique, décollimation, mise au point défectueuse, échantillonnage inadapté, vibrations, etc. Les dégradations s'accumulent les unes aux autres et, la plupart du temps, la courbe réelle d'un instrument n'a malheureusement qu'un lointain rapport avec la courbe théorique présentée ci-dessus. Toute la difficulté de l'imagerie à haute résolution (et d'une manière générale de l'utilisation efficace d'un instrument) consiste à minimiser ces différents problèmes afin d'obtenir une courbe réelle pas trop éloignée de la courbe idéale.

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Quel est l'apport de la CCD en haute résolution ?

La technique CCD présente deux avantages cruciaux :

1) sa sensibilité, qui autorise des temps de pose très courts (moins de 1/10ème de seconde sur la Lune) permettant d'atténuer considérablement les effets de l'agitation des images due à la turbulence atmosphérique,

2) le traitement d'image dont la puissance permet de tirer le maximum des images brutes.

Grâce à ces atouts, dans des circonstances identiques la CCD obtient aujourd'hui de bien meilleurs résultats en haute résolution que la photographie argentique d’hier. Elle permet d'exploiter le plein potentiel de l'instrument, le niveau de détail atteint pouvant être très proche de ce que l'œil distingue à l'oculaire (toutefois, il n'a jamais été prouvé que la CCD est capable d'enregistrer beaucoup plus d'informations que l'œil ne peut en voir sur une planète ou sur la Lune).

Il faut cependant être conscient que si la CCD est un excellent révélateur de la qualité de l'image délivrée par l'instrument, elle est également un redoutable révélateur de...l'absence de qualité. Si l'image est mauvaise à l'oculaire, les images CCD le seront tout autant. Contrairement à une idée très répandue mais fausse, ni la caméra ni le traitement d'image ne sont capables de compenser les dégâts causés par un instrument défectueux ou mal utilisé. De plus, si le traitement d'image apporte un confort indéniable et permet de s'affranchir de l'étape pénible du laboratoire, la mise en oeuvre de la caméra au moment de la prise de vues est plus délicate qu'en photographie argentique, notamment à cause des problèmes de centrage et surtout de focalisation. CCD n'est pas synonyme de résultat garanti. Toutes les qualités requises en haute résolution photographique sont encore indispensables en CCD : persévérance, rigueur, désir de progresser et remise en question permanente des acquis et des certitudes. Par contre, aucune compétence particulière en électronique ou en informatique n'est réellement nécessaire.


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QUEL EST LE MEILLEUR INSTRUMENT POUR LA HAUTE RESOLUTION ?

Un célèbre astronome a déclaré : " la plus mauvaise partie de l'instrument c'est l'atmosphère ". C'était certainement vrai pour lui et pour les instruments qu'il utilisait, mais en réalité la plupart des images lunaires et planétaires d'amateurs sont plus limitées par l'instrument que par l'atmosphère. L'instrument est l'élément le plus important, et la plus grande attention doit lui être portée.

Le type d'instrument

Même si de légères différences peuvent apparaître entre eux, tous les types d'instrument sont capables de donner de bons résultats en haute résolution : lunette, Newton, Cassegrain, Schmidt-Cassegrain, etc. La qualité optique et mécanique de l'instrument est plus importante que son type.

La qualité optique et mécanique

Compte tenu de la faible taille des capteurs CCD et des longues focales utilisées en haute résolution, les champs sont très réduits. Par conséquent nul besoin d'avoir un instrument capable de donner une image piquée sur un très grand champ plan. La seule chose vraiment importante est que la qualité de l'image sur l'axe optique soit irréprochable.

La qualité de l'image délivrée par un instrument dépend également de sa qualité mécanique, spécialement de ses systèmes de fixation des pièces optiques et de focalisation. S'il est difficile à collimater, si ses optiques sont mal tenues ou encore si son système de mise au point manque de fiabilité, un instrument même muni d'une excellente optique ne produira jamais de bons résultats.

Pour en savoir plus sur l'évaluation d'un instrument, voir Star Testing Astronomical Telescope (cf. bibliographie).

Le diamètre de l'instrument

Les lois de la diffraction de la lumière nous apprennent que la taille des plus fins détails que peut détecter un instrument est inversement proportionnelle à son diamètre (cf. Qu'est-ce qu'une courbe de FTM ?). A qualité égale un grand instrument montre théoriquement plus de détails qu'un petit.

Mais le grand instrument est plus affecté par la turbulence atmosphérique, et par conséquent son efficacité est réduite d'une manière plus importante. Toutefois, même si l'image délivrée par le grand instrument paraît moins stable, cela ne veut pas dire qu'elle montre moins de détails dans des conditions de turbulence médiocre, cela veut juste dire que le rendement relatif de l'instrument de grand diamètre est moins élevé. Et même si sa supériorité est infime dans de mauvaises conditions, au moins il concentre plus de lumière, d'où des temps de pose plus courts (un avantage très important dans la lutte contre la turbulence !). Et sa supériorité redevient écrasante dans les moments où la turbulence se calme. C'est la raison pour laquelle diaphragmer un instrument n'améliore pas son pouvoir de résolution, sauf si son optique est de mauvaise qualité.

Le problème est qu'il est très difficile de tailler une bonne optique, et surtout, compte tenu des problèmes de fiabilité mécanique, d'équilibrage thermique et de réglage, il est également très difficile de maîtriser un instrument de grand diamètre. En fin de compte il vaut mieux un bon petit instrument bien maîtrisé qu'un mastodonte mal utilisé ! La course au diamètre a ses limites...

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Lunette ou télescope ?

Un débat sans fin ! Bien que l'on rencontre parfois des ayatollahs du réfracteur qui vous jureront qu'en toutes circonstances la lunette donne de meilleurs résultats, il n'est pas raisonnable d'être aussi catégorique. Chaque type d'instrument a ses avantages et ses inconvénients, il est plus ou moins bien adapté à l'usage auquel il est destiné.

Pour la haute résolution, la lunette présente les avantages suivants :

1) une lunette de longue focale délivre une image plus stable, moins sensible à la turbulence atmosphérique.

2) le tube d'une lunette est fermé, le vent ne s'y engouffre pas et l'air contenu à l'intérieur est plus stable (toutefois, certains télescopes tels que les Schmidt-Cassegrain partagent cet avantage).

3) le faisceau lumineux traverse une seule fois le tube d'une lunette, contre deux fois dans un Newton et trois fois dans un Cassegrain ou un Schmidt-Cassegrain. Les remous d'air dans le tube, dus à une mise en température imparfaite, ont moins d'influence sur la qualité des images.

4) une déformation (thermique ou mécanique) d'une pièce optique se traduit par une déviation du rayon lumineux quatre fois plus faible pour une lentille que pour un miroir.

5) une lunette ne possède d'obstruction centrale due à un miroir secondaire (cf. Quels sont les effets de l'obstruction ?).

6) la tolérance de mise au point est plus large sur une lunette que sur un miroir primaire très ouvert tel que celui d'un Schmidt-Cassegrain (cf. La focalisation).

L'absence de collimation sur une lunette de petit diamètre n'est qu'un élément de confort, pas un avantage technique (cf. La collimation).

Sans nul doute, une lunette sera d'un emploi plus facile et fournira en haute résolution des résultats un peu meilleurs qu'un télescope de même ouverture, surtout sur les planètes. Mais comparer lunette et télescope à diamètre égal n'est intéressant que pour un opticien, pas pour l'amateur dont le but est d'obtenir les meilleures performances possibles avec un budget limité. A prix égal, les avantages d'un télescope, dont le diamètre est nettement plus important (deux à trois fois), sont les suivants :

1) le supplément de diamètre fait plus que compenser les effets de l'obstruction et permet d'obtenir une meilleure résolution et un meilleur contraste (cf. Quels sont les effets de l'obstruction ?). Une lunette, aussi parfaite soit-elle, ne peut pas s'affranchir des lois de la diffraction, ses performances sont limitées par son ouverture (cf. Qu'est-ce qu'une courbe de FTM ?).

2) le supplément de diamètre permet de collecter plus de lumière, ce qui est un avantage important en photographie et en imagerie CCD (la diminution du temps de pose permet de mieux lutter contre la turbulence) ainsi qu'en observation visuelle (l'œil a besoin de lumière pour bien distinguer les faibles contrastes).

A prix égal, un bon télescope, bien que plus exigeant (collimation à soigner, mise en température plus contraignante), permettra d'obtenir de meilleurs résultats en haute résolution si on veut bien se donner la peine d'apprendre à le maîtriser. Le rapport résolution/prix est plus favorable au télescope. Jean Dragesco a montré, dans High Resolution Astrophotography (cf. bibliographie), que les meilleures images à haute résolution réalisées ces dernières années par des amateurs (G. Thérin, D. Parker, I. Miyazaki, C. Arsidi) ont toutes été prises avec des télescopes de 200 mm à 400 mm, parfois obstrués à plus de 30 %.

La plus grande attention doit être portée à la correction chromatique d'une lunette, surtout s'il s'agit d'un achromat simple, car les capteurs CCD courants sont essentiellement sensibles dans le rouge et le proche infrarouge. Des tests doivent être effectués et un filtre froid (KG3) doit éventuellement être installé devant la caméra, l'inconvénient d'un tel filtre étant qu'il diminue la sensibilité effective du système d'un facteur 2 environ.