Réflexions sur la photographie astronomique à haute résolution

par Jean Dragesco

Introduction (I)

Cet article parut en 1979 dans le magazine "L'Astronomie" (Vol.93, pp.31-39) publié par la SAF à une époque où beaucoup d'astronomes amateurs n'avaient l'expérience que de la photographie argentique et utilisaient des montures équatoriales entraînées par roues dentées et pignons.

Pour rappel, à part le Mavika de Sony, le premier APN  réflex fut le Canon D2000 sorti en 1998 suivi par Nikon D1 commercialisé en 1999, soit seize ans après la première caméra CCD compacte Meade Pictor 416 commercialisée en 1983. L'optique adaptative et le Direct drive furent installés pour la première fois sur un télescope en 1992 sur le VLT et le traitement d'image numérique ne se développa qu'après la naissance des micro-ordinateurs en 1984.

Bien que dépassé, cet article décrit quelques idées fondamentales qui sont toujours d'application à l'ère du tout numérique. Néanmoins, pour qu'il corresponde tout de même à la réalité d'aujourd'hui tout en préservant le texte original, les paragraphes marqués (TL) ainsi que les illustrations et les liens sont des mises à jour personnelles tenant compte des derniers développements.

Le professeur Jean Dragesco (1920-2020), membre du CNRS dans le domaine de la zoologie et de la biologie animale, astrophotographe amateur réputé et plusieurs fois lauréat de concours d'astrophotographie fut président émérite de la Commission des surfaces planétaires de la Société Astronomique de France (SAF) et auteur de plus de 160 articles. Aussi, c'est avec un recul de plus de trente années d'expérience qu'il accepta de nous donner son point de vue sur l'astrophotographie à haute résolution, en particulier planétaire.

A gauche, la nébuleuse d'Orion M42 photographiée en 1901 par l'astronome et concepteur de télescope américain George Ritchey sur une plaque photographique orthochromatique (sensible au bleu et au vert) qui a été scannée en 2019. Les annotations manuscrites indiquent une exposition de 50 minutes qui s'est terminée à l'aube et une ouverture du télescope de Yerkes de 24" (600 mm) masquée à 18"(457 mm) pour améliorer la netteté de l'image. A plus de 100 ans d'écart, cette image peut-être utilisée pour  analyser l'évolution des processus astrophysiques. Document George Ritchey Obs. Yerkes, digitalisation par W.Cerny et al. Au centre, un empilement RGB de M42 réalisé en 2005 par Roland Christen de la société Astro-Physics à partir d'images CCD prises par des amateurs équipés de matériel Astro-Physics, à savoir le télescope Maksutov-Cassegrain de 250 mm f/14.6 de l'auteur pour le Trapèze, une lunette apochromatique de 180 mm f/7 EDF appartenant à Trent Kjell pour la vue générale et un télescope Maksutov-Newton de 235 mm f/4.3 muni d'un filtre H-alpha appartenant à Mark Jenkins pour enregistrer les étoiles à l'arrière-plan. A droite, une image du Trapèze de M42 prise en 2016 par Kim Taehwan avec un dobsonien de 400 mm f/4.3 sur monture EQ2 et équipé d'une caméra CCD ZWO Optical ASI174MC. Exposition de 800x 1 seconde. Une telle qualité d'image avec du matériel amateur était inconcevable à l'époque des films argentiques où souvent les zones brillantes étaient surexposées et même avec les premières caméras CCD et autres APN dont le capteur offrait une résolution (taille des pixels) et un champ insuffisants jusqu'aux années 1990.

Historique abrégé

Bien que ce ne soit pas le domaine le plus spectaculaire de l'astrophotographie, la "haute résolution" n'en reste pas moins l'un des plus difficiles et des plus fascinants. Encore faut-il s'entendre sur ce que l'on peut appeler haute résolution. Habituellement c'est par rapport à l'objet photographié que l'on défini une photographie dite à haute résolution : le but étant d'obtenir un cliché montrant les plus petits détails possibles sur un astre déterminé, compte tenu de sa distance à la Terre.

Dans ce domaine particulier de l'astrophotographie les progrès ont été lents et les résultats souvent décevants durant de nombreuses années.

C'est ainsi que vers 1920, la plupart des astronomes admettaient qu'on ne pouvait espérer photographier, avec un instrument donné, des détails plus fins que ceux que l'on pouvait observer visuellement avec une lunette ou un télescope dix fois plus petit (les meilleurs clichés du télescope de 2.5 m du mont Wilson montraient des détails lunaires et planétaires facilement observables dans un instrument de 25 cm d'ouverture !).

(TL) Si c'est valable pour les objets planétaires, la photographie de M42 prise en 1901 présentée ci-dessus à gauche prouve qu'au début du siècle dernier, des expositions prolongées au foyer de petits télescopes donnaient déjà de très bons résultats même si les défauts et autres aberrations sont encore prononcés.

Les progrès, d'abord lents, se sont accélérés brusquement après la Seconde guerre mondiale. Les raisons en sont multiples : amélioration sensible des émulsions photographiques (grain plus fin et pouvoir résolvant plus élevé, allant de pair avec une importante augmentation de la sensibilité), lunette et télescopes plus parfaits et mieux adaptés à ce travail, techniques de prises de vue plus élaborées.

C'est ainsi que dès 1940-1944 la lunette de 60 cm du Pic-du-Midi, entre les mains habiles de MM.Lyot et Camichel, enregistrait sur la plaque sensible des détails atteignant une résolution de 0.4" environ, c'est-à-dire la résolution théorique d'un télescope deux fois plus petit seulement !

Bientôt toute une série d'observatoires obtinrent assez régulièrement des clichés dont la résolution variait de 0.4" à 0.7" environ, résolution assez indépendante de l'ouverture utilisée (qui allait à cette époque depuis le télescope de 30 cm de New Mexico au 2.5 m du mont Wilson). Comparativement, les très grands télescopes, comme ceux de 3 m de Lick et de 5 m du Mont Palomar n'ont apporté qu'une modeste contribution à cette course à la haute résolution. Car dans ce domaine on est, rappelons-le, limité sévèrement par la turbulence atmosphérique qui ne permet guère de dépasser une résolution de 0.3", quel que soit le diamètre de l'instrument utilisé.

En plus d'un siècle, la sensibilité des capteurs photosensibles est passé de 1 ISO (ASA) à plus de 115000 ISO, les systèmes les plus performants gardant un niveau de produit très réduit grâce à des systèmes cryogéniques maintenant les capteurs entre -30°C et -120°C selon les installations. Grâce à l'invention des capteurs électroniques (CCD et APN), la qualité des photographies a fait un bon de géant depuis les années 1990, au point que les photos prises par certains amateurs chevronnés sont aujourd'hui utilisées par les astronomes professionnels. Leur résolution est suffisante pour assurer une surveillance scientifique à long terme des principales planètes, du Soleil, des étoiles variables, des supernovae et même de certaines nébuleuses en expansion rapide ou les IFN. Si nécessaire, les plus grands télescopes peuvent même s'en servir pour examiner les vaisseaux spatiaux en orbite. L'image de droite fut réalisée par Damien Peach.

Le problème est encore plus ardu lorsqu'il s'agit de photographie solaire où, comme nous l'avons déjà évoqué dans la page consacrée aux filtres interférentiels, la turbulence diurne étant très forte, elle ne permet que rarement d'atteindre une résolution photographique de 0.4". Rappelons ici que c'est toujours au Pic-du-Midi que J.Rosch et ses collaborateurs ont pu obtenir dès 1950-1956 des photographies exceptionnelles des taches solaires et des grains de riz.

Aussi, on s'est vite rendu compte que ce n'était que dans des sites tout à fait privilégiés que la résolution limite de 0.4" pouvait être régulièrement dépassée. C'est ainsi qu'à partir de 1960, aussi bien au Pic-du-Midi (T. 106 cm) qu'au Catalina Observatory (T.150 cm), la résolution photographique de 0.25" a pu être assez fréquemment obtenue (ce qui est encore loin de la résolution théorique du télescope de 1.5m mais excellente tout de même). Ce n'est que tout à fait exceptionnellement qu'on peut espérer atteindre une résolution de 0.15" (à titre d'exploit seulement) dans les meilleurs sites de haute altitude actuellement connus et avec des télescopes de 2 m d'ouverture environ !

L'étude dynamique des phénomènes planétaires (surtout atmosphériques) ne pouvant se faire qu'à partir de nombreux documents, on ne peut guère espérer dépasser la résolution de 0.4" pour le travail de recherche habituel, résolution d'ailleurs largement suffisante pour la compréhension de la plupart des phénomènes.

(TL) Ce "mur de la résolution" a toutefois été partiellement franchit depuis l'invention de la caméra CCD, des techniques d'empilement d'images (stacking) et de l'optique adaptative. Dans de nombreux cas, ces "astuces" peuvent remplacer le télescope orbital.

La haute résolution à l'heure spatiale

Devant la difficulté d'obtenir de bonnes images à partir des observatoires terrestres, on a pensé augmenter la résolution photographique en envoyant des télescopes à très haute altitude, grâce à des ballons stratosphériques. Après l'impulsion donnée par A.Dollfus, avec ses Stratoscopes Martin Schwarzschild a pu réussir quelques-uns des plus fins clichés solaires jamais obtenus jusqu'alors (résolution de 0.2"). 

(TL) Bien sûr ces moyens étaient inaccessibles aux amateurs. Par la suite la communauté scientifique a mis de grands espoirs dans les télescopes spatiaux mis en orbite pour ne citer que le Télescope Spatial Hubble (HST) placé à environ 400 km d'altitude et l'observatoire solaire SOHO placé à 1 million de kilomètres. Sans parler des découvertes quotidiennes, leurs images nous étonnent chaque jour par leur résolution comme on peut s'en rendre compte en consultant leur sites web respectifs, STScI et SOHO. A titre d'information un télescope de 50 cm mis en orbite atteint une résolution de 0.03" ! Dans un avenir plus lointain de grands télescopes, installés soit en orbite soit sur le sol lunaire, devraient permettre d'aller plus loin encore, dépasser la 30^e magnitude entre 200 et 400 nm et résoudre des détails de l'ordre de 0.001" soit 1 mas, juste suffisant pour observer des détails de l'ordre de 10 km sur les exoplanètes les plus proches.

Entre-temps le problème de la photographie à haute résolution a été abordé d'une façon tout à fait différente; plutôt que d'essayer d'augmenter sans cesse les possibilités, forcément limitées d'énormes télescopes, placés à des millions de kilomètres des astres à étudier, il paru plus rentable d'envoyer de petits télescopes les photographier à bout portant, à partir de sondes spatiales.

C'est ainsi que plus d'une centaine d'engins inhabités ont complètement bouleversé nos connaissances du système solaire en photographiant certaines régions avec une résolution  atteignant le millimètre au niveau du sol (sur la Lune et Mars) et 50 mètre sur Pluton ! 

Dans un avenir plus ou moins lointain, les deux techniques d'avant-garde, sondes spatiales et grands télescopes spatiaux ou lunaires nous permettront d'approfondir encore notre connaissance des "terres du ciel" (qui seront bientôt mieux connues que bien des régions de notre propre planète). Seul inconvénient, une panne sur ces installations spatiales exigera l'envoi d'une équipe d'astronautes sur place, élevant le coût de telles infrastructures à des prix faramineux.

L'avenir des observatoires terrestres est donc assuré, et d'autant plus avec les techniques modernes (CCD à très haute résolution, miroir ultramince, optique adaptative, miroir refroidit, etc). Leur coût plus faible que les télescopes spatiaux permettra d'en multiplier le nombre, seul moyen pour suivre continuellement et en haute résolution certains phénomènes planétaires et extragalactiques.

Prochain chapitre

La haute résolution et l'amateur