Comment JWST voit les objets interstellaires invisibles

Le télescope spatial James Webb a récemment stupéfié le monde avec son premières images de l'espace, dont un image en champ profond qui montrait l'univers infrarouge avec plus de profondeur que jamais.

Mais vous ne pouvez pas simplement pointer un télescope vers une zone 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 image avant de pouvoir être partagées avec le public.

Traiter ces données en 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, notamment l'emblématique profondeur champ. Il nous a expliqué ce qu'il fallait faire pour donner vie à ces incroyables données.

Une roue rotative de filtres

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 le 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 bien habitués à travailler avec ce type de technologie. matériel à l'heure actuelle, car des roues à filtres similaires sont utilisées dans d'autres télescopes spatiaux comme le télescope spatial Hubble et l'observatoire à rayons X Chandra.

"C'est incroyable que ces vaisseaux spatiaux contiennent ces pièces mobiles qui continuent de fonctionner pendant des années et sont prêtes à voler et résistantes aux radiations", a déclaré DePasquale.

Lorsque Webb observe une cible, il la regardera d'abord en utilisant un filtre, puis un autre, et plus encore si nécessaire. Pour la première image en champ profond de Webb, des données ont été utilisées 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, totalisant 12 heures d'observation.

Une fois les données collectées, elles sont envoyées aux équipes d’instruments 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 époustouflantes 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 couleur. Pour ce travail, il utilisera une combinaison de logiciels d'édition graphique à usage général comme Adobe Photoshop et un logiciel astronomique spécialisé comme PixInsight, développé à l'origine pour l'astrophotographie amateur.

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

"La combinaison d'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. « Nos yeux ont des cellules coniques 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 combiné les deux filtres de longueur d'onde la plus courte en bleu, les deux filtres de longueur d'onde moyenne en vert et les deux filtres de longueur d'onde la plus longue en vert. Ceux-ci sont ensuite combinés à l’aide du mode de fusion d’écran d’Adobe Photoshop, qui additionne les calques pour créer une image couleur.

Dans d'autres images, comme l'image Webb du Nébuleuse de la Carène, qui a été traité 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 très bien fonctionné pour le champ profond.

"J'ai essayé de donner à chaque filtre sa propre couleur", a déclaré DePasquale. « Cela peut créer une belle image, mais dans le cas du champ profond, cela ne fonctionnait vraiment pas bien. Cela créait d’étranges artefacts de couleurs 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’image requiert une touche artistique ainsi qu’une compréhension scientifique. Le travail d'un processeur est de créer une image qui représente à la fois avec précision les données et qui est visuellement attrayante.

Une fois les données de différents filtres 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 en champ profond de Webb, il a ajusté les couleurs en utilisant une galaxie spirale particulière comme point de référence blanc et une zone de ciel vierge comme fond gris.

« Lorsque nous avons une image en champ profond ou une image avec beaucoup de galaxies en arrière-plan, mon approche est généralement d'utiliser des galaxies spirales de face comme point de référence blanc pour l'image entière », a-t-il déclaré. 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 vif des jeunes étoiles aux vieilles étoiles jaunâtres et tout le reste. Donc, si vous l’utilisez comme point de référence blanc, cela vous donne une image globale très bien équilibrée.

L'aspect d'un champ profond

Jusqu’à présent, nous ne disposons que de deux observatoires capables de créer des images en champ profond: Hubble et Webb. Hubble opère dans le domaine de la lumière visible, tandis que Webb opère dans l'infrarouge, mais tous 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 au forme du miroir de Webb et est inhérent aux images capturées avec le télescope.

Mais dans l’ensemble, DePasquale dit viser 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 une idée intuitive de ce à quoi cela devrait ressembler. Et je sais qu’une galaxie spirale de face devrait avoir un certain aspect, que les taches lointaines devraient avoir une certaine teinte, et que tout ce qui se trouve entre les deux devrait paraître naturel.

Une philosophie de l'infrarouge

Une grande différence entre Webb et Hubble est que Webb est capable d'observer des galaxies encore plus lointaines. que Hubble, et beaucoup de ces galaxies sont si éloignées que leur lumière met très longtemps à nous parvenir. Au fur et à mesure que l'univers s'étend pendant cette période, cette lumière est déplacée des longueurs d'onde de la lumière visible vers l'infrarouge selon un processus appelé redshift.

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

« Certains 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 redshifté. 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 redshift et utilise une gamme de couleurs plus large pour donner plus d’informations.

"Au lieu de donner à l'ensemble de l'image une dominante rouge, faisons en sorte que la galaxie spirale que nous voyons dans cette image est le point de référence blanc, de sorte que l'amas devient maintenant blanc au lieu de jaune », a-t-il déclaré. dit. « Et puis, vous obtenez des informations sur les couleurs de tout ce qui se cache derrière. Ainsi, les galaxies vraiment très lointaines apparaissent désormais sous forme de points rouges sur cette image, et d’autres éléments 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 très lointaines, alors que Hubble arrive à un point où il ne peut plus les voir parce qu'elles se sont décalées vers le rouge dans la lumière infrarouge", a-t-il déclaré.

Cette capacité à rechercher ces galaxies à fort redshift permettra à Webb de voir certaines des premières galaxies formées dans le très jeune univers. Ce n’est pas que Webb soit 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’elle examine. À des longueurs d’onde plus longues, ses images ont une résolution plus faible. Mais cette relation entre longueur d’onde et 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 poussiéreux, et ils n'ont peut-être pas beaucoup de structure au départ », DePasquale dit. "Donc, s'ils sont un peu moins résolus, cela semble en fait très naturel sur l'image."

Connaissance scientifique et liberté de création

Le travail des processeurs d’images comme DePasquale est souvent le premier moyen par lequel les membres du public s’intéressent à 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 ces travaux au public.

Mais d'après son expérience, dit-il, la plupart des scientifiques sont ravis de voir leurs travaux traduits en images couleur. « À ce stade de ma carrière, j'en suis arrivé au point où j'ai la liberté de créer une belle image, mais les gens font confiance. que je connais suffisamment bien la science pour pouvoir créer une belle image couleur qui raconte également une histoire scientifique », a déclaré DePasquale.

La réaction aux premières images de James Webb en est un bon exemple. Les experts spatiaux ne sont pas les seuls à être enthousiasmés par le potentiel de ce nouveau télescope; le public du monde entier a également été étonné 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 qui seront partagées au cours des prochains mois.

DePasquale dit que la réaction du public aux premières images correspond à tout ce qu’il espérait. « C’était incroyable à voir. Ils sont littéralement partout. Ils ont été exposés à Times Square, entre autres. Cela a été incroyable.

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