Appareils photos numériques et surveillance grand-champ du ciel
Exemple du Canon EOS 5D

Dans le but de réaliser un programme de surveillance du ciel pour la recherche de novae, d'étoiles variables, voire, de comètes, on expérimente le couple constitué du reflex numérique Canon EOS 5D et du téléobjectif Canon EF 200 mm f/2.8 série L.

Le Canon 5D est s'en doute le premier boitier reflex disposant d'un capteur plein format 24x36 à un prix raisonnable pour l'amateur. Le plein format 24x36 est bien entendu précieux dans le cadre d'un programme visant à observer un maximum de ciel en un minimum de temps. Le choix de l'objectif est un compromis entre le champs couvert (10° x 6,8° en une seule pose), entre la résolution de l'image (8,4 arcsec/pixel, un paramètre qui participe à la détectabilté), entre à la luminosité (f/2.8). Le téléobjectif Canon de 200 mm est en outre une très bonne optique, qui donne des images bien nettes, y compris à f/2.8 dans les coins d'un capteur aussi exigent que le 24x36. On notera que le modèle employé provient de la première série des téléobjectifs dee 200 mm Canon, acheté d'occasion. La série actuelle, dite série II, reprend la même formule optique et donc les mêmes performances, mais il est m'est arrivé de rencontrer des exemplaires présentant de légers défauts d'excentrement. Pouvoir faire un trie avant l'achat serait l'idéal, mais ce n'est généralement pas possible. Il faut donc compter sur un peu de chance... et en la matière, les vieux exemplaires (série I) semblent assemblés avec plus de soin !

Les observations sont réalisées depuis un milieu urbain, au sud de la ville de Toulouse (Castanet-Tolosan). Le ciel est fortement pollué par l'éclairage artificiel, ce qui pose problème pour obtenir un champ bien plat après prétraitement sur un champ de près de 68 degrés carré par image. Tout aussi critique est la le bruit de signal apporté par la brillance du fond, qui participe à noyer les plus faibles détails des images. Ceci concerne en particulier les objets diffus. Les contraintes de la vie "moderne" conduisent malheureusement à s'accomoder de ce type de situation. Avec un peu de soin dans le traitement des images et lors de la prise de vue (pare-lumière indispensable !), il est malgré tout possible d'obtenir des images relativement acceptables comme nous allons le voir. A cause de cette pollution, il n'est guère possible de prétendre à des images "artistiques", mais là n'est pas le but. L'essentiel est que les objectifs en terme de surveillance sur les objets ponctuel soient couverts.

L'image suivante est caractéristique de ce que l'on obtient avec ce type d'instrumentation et dans ce type d'observatoire. Il s'agit d'un champ centré au voisinage des galaxies Messier 81 et Messier 82 :

 
Une image brute posée 120 secondes à 400 ISO. Canon EOS 5D + Canon EF 200 mm L @ f/2.8.
Remarquer le vignetage sensible en bord de champ (taux de 35% dans les coins). Le couple M81/M82 est visible vers le centre.

La table suivante donne le signal en nombre de compte (ou ADU = Analog Digital Unit) produit par la partie la plus intense de la galaxie M82 et le niveau du fond de ciel voisin, en fonction de la couleur du pixel. L'évaluation est faite sur l'image RAW, sans aucun traitement, si ce n'est le retrait du signal d'offset (ou bias) qui vaut 128 comptes environ sur le Canon 5D :

Les pixels rouges enregistrent le fond parasite le plus intense, alors même que c'est aussi dans cette couleur que le signal de la galaxie est le plus faible. La pollution lumineuse affecte considérablement le canal rouge, d'où par exemple les difficultés rencontrées en imagerie Halpha si on n'emploie pas un filtre spectral autour de cette raie. Tout en demeurant sévère, l'effet de la pollution est moins fort dans les canaux vert et bleu. Dans ces bandes,  fond de ciel a en gros la même intensité que la partie la plus brillante de Messier 82 (qui est un objet pourtant fort lumineux). On note que c'est dans le bleu que le contraste des galaxies est le plus important dans les circonstances de cette observation (i.e. éclairage urbain à base de lampes sodium haute-pression). Pour obtenir un maximum de détectabilité (capacité à voir les objets les plus faibles), seule l'information des pixels vert et bleu est additionnées lors de la synthèse des images noir et blanc négatif ci-après.

Le prétraitement des images doit être très soigneux, notamment la flat-field, pour espérer sortir un résultat sous un ciel où la magnitude limite à l'oeil est de 3 tout au plus. Le flat-field est réalisé en photographiant un grand écran blanc éclairé par plusieurs lampes halogènes.

On trouvera ci-après un partie de l'image du champ de M81/M82 à l'échelle d'origine (c'est la partie encadrée en bleu dans l'image précédente, qui ne couvre que 1/8 de la surface totale du champ du 5D). Il s'agit d'un compositage de 25 clichés posés chacun 120 secondes. Ces deux minutes de pose par cliché sont la maximum acceptable compte tenu de la brillance du ciel.

Détail en couleur à l'échelle 100% du champ de M81/M82. On notera la bonne qualité de piqué de l'objectif Canon de 200 mm,
même utilisée à l'ouverture maximale de f/2.8.

Identification des objets situés dans le champ de M81/M82. Pour réaliser cette vue en négatif on a additionné l'intensité des pixels bleu et vert de l'image couleur. La bande rouge n'est pas utilisée.

Ci-après, une image du champ de la galaxie NGC 2841, acquis dans les mêmes conditions (compositage de 25 poses de 120 secondes) :

Champ de NGC 2841 - Canon EOS 5D 400 ISO + Canon EF 200 mm @ f/2.8. 25 x 2 minutes.

Détail à l'échelle 100% du champ de la galaxie NGC 4725. Compositage de 35 images exposées 2 minutes chacune :

Canon EOS 5D + téléobjectif de 200 mm @ f/2.8. Compositage G +  B.

L'amas de galaxies ABELL 1656 (compositage de 15 poses de 2 minutes) :

ABELL 1656. Canon EOS 5D @ 400ISO + téléobjectif de Canon 200 mm @ f/2.8

Le programme de surveillance proprement dit consiste à couvrir au moins une fois par nuit toute la zone du ciel correspondant  la Voie-Lactée. Cette partie du ciel est bien sur la plus propice à la découverte de novae ou de variables compte tenu de la densité d'étoiles qui s'y trouve concentrée. Les poses sont de 1 minutes et trois poses successives sont acquises et additionnées. Le triplement des poses permet d'améliorer le rapport signal sur bruit et repérer la présence d'atefacts (impacts de rayon cosmique que l'on peut confondre avec une étoile par exemple). La magnitude limite est de 14 en observation urbaine avec le Canon 5D et le téléobjectif de 200 mm @ f/2.8 après addition des couches verte et bleu des 3 clichés. Cependant, dans le cadre d'un programme de détection automatique des objets nouveaux ou variables, il est raisonnable de considérer que la magnitude limite est de l'ordre de 13,5.

La mosaïque de la Voie-Lactée est réalisée automatiquement (mode GoTo). Une simple monture GP automatisée peut être suffisante compte tenu de la masse de l'instrument. Typiquement, il faut observer 40 champ pour obtenir une couverture globale. Compte tenu que le temps de ralliement de la monture d'un champ à un autre est de l'autre de 10 secondes, qu'on laisse un temps de stabilisation de la monture de 10 secondes, et que le temps de sauvegarde d'une'image est de 5 secondes sur une carte CompacFlash, le temps d'observation par champ est égal à : 3 x (60 + 5) + 10 + 10 = 215 secondes. On calcule facilement que le temps de prise de vue global de la Voie Lactée (40 champs) dure 2 heures 30 minutes environ, ce qui demeure très raisonnable. Ce faisant, compte tenu du recouvrement entre champs contigües, on observe 2160 degrés carré de ciel. En disposant les images cote à cote pour faire une mosaïques on aboutirait à l'équivalent d'un document de 22 000 x 16 000 pixels environ. L'ensemble des données acquisent représente 3 Go de données si les trois couleurs sont conservées. On compte de l'ordre d'un million d'étoiles dans la surface de ciel observée.

L'exemple ci-dessous, montre deux champs adjacents caractéristiques (région de la constellation de Persée) réalisées dans les conditions du survey :

Détail du champ 0225+56 à l'échelle 100% (double amas de Persée). Composite G+B de 3 poses d'une minute.

Bien sur, il est nécessaire d'employer des fonctions automatiques pour analyser cette très grand quantité d'information. La détection et la liste des objets ce fait sur des images noir et blanc, cependant l'information colorée délivrée par le reflex numérique peut s'avérer utile pour discriminer une novae d'une étoile variable type Mira par exemple (l'indice de couleur de ces deux types d'objet est très différent).

Ce programme de surveillance a un potentiel scientifique. Il est facile à conduire, même dans des observatoires peu avantagés par la pollution lumineuse. Il est rendu possible au plus grand nombre grace à l'avènement des appareils photographiques numériques réflex. On utilise ici le Canon 5D, qui est s'en doute le plus adapté compte tenu de la taille du capteur, mais des reflex disposant d'un détecteur au format APS (350D, 20D, ...) peuvent aussi être employés avec efficacité. Il n'y a plus qu'à faire !

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