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Les cirrus et les nébuleuses du flux intégré (IFN)

La constellation de la Petite Ourse (cf la version annotée) noyée dans les nébuleuses du flux intégré photographiée par Regiola B. Andreo avec une lunette Takahashi FSQ 106 ED f/3.6 équipée d'une lunette-guide et d'une caméra CCD SBIG STL-11000. L'exposition RGB est de plusieurs heures.

Quand le ciel se voile

En 1976, l'astronome Allan Sandage profita du télescope Schmidt de 1.2 m du mont Palomar pour photographier les galaxies aux latitudes galactiques élevées afin de compléter les sondages en cours qui donneront le futur Sky Survey Palomar, l'ancêtre du SDSS.

Sandage utilisait à l'époque des plaques photographiques hypersensibilisées Kodak III-aJ munies d'un filtre Wratten-4 (4700-5200 Å) ainsi que des plaques Kodak 127-04 munies d'un filtre rouge (6200-7000 Å).

Au cours de ses analyses, il nota : "en plus des amas distants, d'autres nouveaux objets apparaissent sur les plaques, parmi lesquels des régions de faibles nébulosités localisées dans certains champs de haute latitude. La surface de brillance (SB) de ces nébulosités varie entre suffisamment brillante pour être vue sur les photos originales du Sky Survey Palomar (SB ~ mag 25/∝" en B, proche de la limite de détection sur les photos) et la limite des nouveaux instruments, qui est peut-être 2 magnitudes plus faible". Sandage rappella que ce type de nébuleuse brillante fut déjà observée aux latitudes galactiques moyennes par Beverly T Lynds en 1965, notamment dans la région de l'étoile polaire (b = +27°).

En revanche, ce qu'observa Sandage était différent. Il constata que "deux des nouvelles nébulosités des hautes latitudes (à b= +40° et b= -50°) sont des nébuleuses de réflexion. Ceci impose la présence de poussière aux hautes latitudes ainsi qu'une source lumineuse. Les calculs de la surface de brillance suggèrent que la source d'illumination est la lumière émise par le plan galactique". Il proposa ensuite un schéma présenté ci-dessous expliquant ce phénomène. Sandage venait de découvrir la nature des "nébuleuses du flux intégré" ou IFN (Integrated Flux Nebulae).

Une IFN se définit comme une nébuleuse illuminée par le flux intégré visuel et UV de la Voie Lactée. Ceci la distingue de la nébuleuse de réflexion qui est illuminée par une étoile proche. Autrement dit, une IFN est uniquement illuminée par le halo lumineux qu'émet l'ensemble de la Voie Lactée.

"Géométrie de l'illumination d'un point P par le plan galactique et diffusion subséquente du flux incident vers l'observateur", Allan Sandage/Hale Obs., 1976.

Sandage étudia également le catalogue de William Hershel (qui utilisa un télescope de 49.5" ou 1.26 m de diamètre et de 12 m de focale) et tenta de trouver des correspondances entre les objets de ce catalogue comprenant 2500 objets non stellaires et les photos qu'il venait de prendre avec la chambre de Schmidt. Sandage était particulièrement intéressé par une liste de 52 nébuleuses extrêmement diffuses publiés en 1811 par Herschel qui sera à l'origine de son hypothèse sur les nébuleuses.

Sandage précise : "un autre cas intéressant est la nébulosité 32 qui est bien corrélée avec une structure brillante dans le cirrus galactique proche de M81/M82". En fait, comme il le dit lui-même, il avait déjà observé des filaments autour de M81 (b = +42°) en 1971. Notons qu'à l'époque Herschel décrit la nébulosité N° 32 comme "Much affected with very faint whitish nebulosity" (p276). Nous verrons plus bas quelques photos de cette région où effectivement les filaments brillants sont plutôt blanchâtres que colorés. Cela signifie que certaines des plus brillantes IFN avaient déjà été observées en 1811, bien sûr dans un grand télescope et au bénéfice d'un ciel qui à l'époque était encore exempt de toute forme de pollution.

Notons que l'amateur belge le baron Renaud de Terwangne relate dans le magazine Ciel et Terre publié par l'Observatoire Royal de Belgique en 1946 "l'observation visuelle des nuages cosmiques obscurs pour étudier leur extension visible, comme les "Dark markings" de E.E. Barnard, les voiles cosmiques de Herschel-Hagen que j'ai pu observer de 1934 à 1954". De Terwangne étudia également les "52 nébulosités" d'Herschel et nota la présence diffuse "de nuages bruns ou rouges non identifiés" dont certains s'avèreront être des IFN. Aujourd'hui, avec la pollution lumineuse, il devient impossible de les observer à moins de se retirer dans des lieux particulièrement sombres. On y reviendra.

Puis le sujet fut délaissé par les astronomes car ils pensaient que les nébuleuses et les poussières étaient essentiellement distribués dans le plan galactique. De plus, ils étaient en train de compléter les sondages du ciel profond et cherchaient de nouvelles techniques pour pénétrer toujours plus loin dans la Voie Lactée, très obscurcie dans son plan par les nuages moléculaires très denses.

Dans les années 1980, grâce au lancement de l'observatoire orbital infrarouge IRAS, les astronomes ont découvert d'immenses structures de poussières parfois mêlées de gaz (dans les nuages moléculaires) tout le long du plan de la Voie Lactée et dans une moindre mesure dans les hautes latitudes galactiques. Ils ont dénommé ces structures plus ou moins brillantes ou pâles les "cirrus" galactiques.

La première carte de la Voie Lactée révélant ces cirrus galactiques fut obtenue à 100 microns et révéla toute l'étendue du gaz et de la poussière dans le milieu interstellaire comme on le voit sur les planisphère présentés ci-dessous. Depuis des cartes ont été dressées à toutes les longueurs d'ondes. On y reviendra quand nous décrirons la Voie Lactée et le Nuage Local.

Comme on le voit sur les cartes ci-dessous, le rayonnement maximum de la poussière du milieu interstellaire apparaît à 408 MHz où on reconnaît très bien "l'Eperon galactique" ou "Eperon Polaire" (Polar Spur) qui s'étend vers le pôle Nord céleste et dont fait par partie la Boucle I de la "Ceinture de Gould" sur laquelle nous reviendrons. Cette poussière est également visible dans la polarisation du rayonnement relevée par le satellite micro-onde Planck et les relevés en infrarouge lointain du satellite Herschel. Ceci nous permet d'ouvrir une petite parenthèse scientifique.

Cirrus, turbulence et champ magnétique

Sur le plan scientifique, l'étude de ces cirrus est très intéressante car elle est en relation avec les processus d'enrichissement chimique du milieu interstellaire et permet aussi d'étudier les différentes échelles dissipatives de la turbulence dont on retrouve les principes dans les caractéristiques des disques d'accrétion (disque circumstellaire, étoiles binaires en contact, trou noir, etc.). Pour ne pas alourdir cet article, on reviendra sur les concepts d'enrichissement stellaire et de turbulence dans l'article consacré à la formation du système solaire.

A voir : Mapping the Infrared Universe: The Entire WISE Sky, WISE

Sondage GLIMPSE360, Spitzer

100 microns, IRAS, NASA/IPAC/Caltech

 353 GHz (0.85 mm), Planck/Collab. ESA.

408 MHz, L.Laporta et al./ESO

353 GHz (0.85 mm), Planck/Collab. ESA

Cartographie de la poussière présente dans la Voie Lactée à différentes fréquences et indirectement de l'émission synchrotron et de la polarisation du rayonnement. On reconnaît très bine l'Eperon galactique dirigé vers le pôle Nord céleste. Toutes ces régions sont très riches en cirrus galactiques et IFN.

Les mesures de la polarisation du rayonnement thermique des poussières a permis de déterminer l'orientation du champ magnétique de ces nuages moléculaires. Toutes ces observations confirment que les cirrus les plus denses sont alignés perpendiculairement aux lignes de force du champ magnétique tandis que les cirrus les plus diffus sont alignés parallèlement au champ magnétique. Cette corrélation entre les filaments de matière et le champ magnétique permet aux astronomes de mieux comprendre la formation des filaments et leur évolution vers des nuages plus denses et éventuellement des sites de formation stellaire.

Venons en à présent à la découverte des cirrus galactiques boréales par l'astronome amateur Steve Mandel qui sont à la portée de tout bon astrophotographie amateur correctement équipé.

Les observations de Steve Mandel

Les cirrus galactiques étant omniprésents dans le plan galactique et aux latitudes moyennes (jusqu'à hauteur de la Polaire, M31, des Nuages de Magellan et Rho Ophiuchus), les astronomes délaissèrent quelque peu les hautes latitudes qui étaient également inaccessibles à certains satellites.

C'est dans cette région des hautes latitudes boréales laissée en friche par les professionnels qu'en 2004 l'astronome amateur Steve Mandel se lança dans un projet amitieux de photographier ces régions du ciel à différentes longueurs d'ondes, y compris dans des raies spectrales comme celle du carbone. Ce projet baptisé "Mandel-Wilson Unexplored Nebulae Project" avait pour principal but de rechercher des nuages interstellaires qui n'avaient pas été catalogués. En effet, comme nous l'avons éviqué, bien que des cirrus galactiques apparaissent déjà sur les plaques photographiques prises par Lynds puis Sandage ainsi que dans les images infrarouge professionnelles, la région boréale n'avait pas été totalement explorée.

A voir : La galerie d'images (nébuleuses et IFN)

10 ans de progrès technologiques en imagerie séparent ces deux photos. L'invention des capteurs photosensibles numériques a révolutionné l'astrophotographie. Ces deux photographies nous présentent la région de l'amas ouvert M45 les "Pléiades" et de NGC 1499 la "nébuleuse de Californie" située à 12° de distance ainsi que l'association OB2 de Persée (entre les deux et décalée vers le haut de l'image). A gauche, une photo réalisée par Alan Dyer en 2003 sur film Ektachrome E200 considéré à l'époque comme l'un des meilleurs films inversibles pour l'astrophotographie (cf. ces tests). Exposition de 18 minutes à 200 ISO. A droite, un compositage réalisé en 2013 par Rogeli Bernal Andreo au moyen d'une lunette apochromatique Takahashi FSQ de 85 mm de diamètre équipée d'un capteur CCD. Ce compositage représente un temps d'intégration total de 57 heures répartis sur plusieurs mois dont 17 heures sous filtres RGB et 40 heures pour la luminance.

Les capteurs CCD et autres APN sont connus pour leur rendement élevé offrant une sensibilité et une réponse spectrale bien supérieures aux films argentiques. Nous savons par exemple que les APN peuvent enregistrer ce qu'on appelle la lumière du ciel nocturne ou des aurores invisibles à l'oeil nu. Ces appareils sont donc tout indiqués pour photographier ces voiles diffus.

Fort de son expérience en astrophotographie CCD (cf. Sky & Telescope, 2002), en décembre 2004 Mandel utilisa une lunette apochromatique contrôlée à distance pour essayer de les enregistrer. L'instrument était installé à l'observatoire de New Mexico Skies situé à 2190 m d'altitude dans les montagnes du sud du Nouveau Mexique, à 26 km du village de Cloudcroft, un lieu réputé pour la noirceur et la limpidité du ciel (la première ville est à plus de 100 km), au point que la NASA et la NOAO (Kitt Peak) ont installé quelques télescopes sur le site.

Malgré ses moyens amateurs (mais très performants), les photographies de Mandel ont révélé que le ciel boréal était envahi de voiles diffus. Mandel reconnut en ces cirrus les IFN de Sandage. Les photographies de Mandel furent analysées par l'astronome Adolf Witt de l'Université de Toledo qui fut étonné de découvrir du carbone dans ces nébuleuses. Ces photos firent aussitôt l'objet de plusieurs publications scientifiques. En 2008, Mandel fut récomposé par le prix "Amateur Achievement" décerné par la prestigieuse Société Astronomique du Pacifique (ASP).

Gros-plans sur M45 révélant toute l'étendue et la complexité des IFN dans la région du Taureau. De gauche à droite, une photo anonyme qui est devenue un wallpaper, une photo prise par David Watson, David Lane et Rogeli Bernal Andreo dont une photo du champ global jusque Persée est présentée plus haut.

Sur une photographie, on ne peut pas confondre une IFN avec une nébuleuse de réflexion telle IC 2118 (la Tête de sorcière) par exemple située dans Eridan, à 2° de l'étoile Rigel d'Orion. En effet, la proximité de l'étoile géante bleue explique le rayonnement de cette nébuleuse qui émet surtout par diffusion de la lumière. De plus, les IFN sont si peu denses qu'elles ne sont pratiquement pas colorées; la plupart présentent une tonalité grise ou brunâtre.

Même chose pour l'amas M45 présenté ci-dessus dont les nébulosités propres bleutées ne brillent que par l'émission UV des jeunes étoiles; il s'agit également d'une nébuleuse de réflexion. En revanche, dans les deux cas toute la région sur plusieurs dizaines de degrés est envahie d'IFN pratiquement dépourvues de couleurs. Pour les enregistrer il faut des temps d'intégration CCD d'au moins 20 minutes à f/3.6 par couleur voire plus d'une heure par couleur en plus de la luminance (compositage LRGB) pour révéler toute leur étendue.

Certaines IFN sont même visibles à l'oculaire d'un télescope s'il est suffisamment lumineux et le ciel suffisamment clair et noir. Ainsi, en utilisant des télescopes Rich Field de 150 mm f/2.8, 270 mm f/2.7 et 330 mm f/3, entre 2013 et 2016 l'amateur Mel Bartels est parvenu à observer ces faibles voiles depuis le parc d'Ochoco National Forest situé près de Mitchell en Oregon à 1500 m d'altitude. Bartels observa ces IFN autour de plusieurs objets du ciel profond dont M13, M31, M33, M44, M45, M81, M82, MW3, le triplet du Lion (M65, M66, NGC 3628) ou encore autour de la chaîne de Markarian dans l'amas de la Vierge ainsi que la grande bande sombre qui déchire la Voie Lactée au centre du Cygne, ce qui constituent de véritables prouesses connaissant l'extrême faible brillance de surface de ces structures.

A gauche, la région de la galaxie NGC 7479 dans Pégase envahie d'IFN photographiée par J-P.Cales et Michael Vanhuysse avec un astrographe de 300 mm f/3.6 muni d'une caméra CCD SBIG STL-11000 et fixé sur une monture Paramount. L'instrument installé à 1620 m d'altitude dans le sud de l'Espagne est piloté à distance (cf. OverSky). L'exposition est de 3 heures (17x 420 sec en N/B et RGB de 5x 600 sec chacune). Au centre, la région de M31 et M33 (les deux galaxies sont séparées de 14°) noyée dans les nébuleuses du flux intégré photographiée par Regiola B. Andreo avec une lunette Takahashi FSQ 106 ED f/3.6 équipée d'une lunette-guide et d'une caméra CCD SBIG STL-11000. L'exposition RGB est également de plusieurs heures. A droite, les IFN catalogués MBM 54 entourant la région de la galaxie NGC 7497 dans Pégase photographiée par Emil Ivanov au moyen d'un astrographe ASA N12 de 300 mm f/3.6 muni d'une caméra CCD SBIG STL-11000M et fixé sur une monture ASA DDM 85. Temps d'intégration total LRGB de 8.3 heures (L:140 min, R,B:120 min, G:110 min) + quelques photos exposées 10 min.

Conditions de prises de vues

La photographie de ces voiles très diffus est accessible aux amateurs à condition de respecter certaines règles, la première étant de trouver un site bénéficiant fréquemment de nuits claires et bien noires durant au moins 4 ou 5 heures. On ne sera donc pas étonné que la plupart des photographie présentées sur cette page aient été réalisées à plus de 1500 m d'altitude dans des régions plutôt désertiques et très éloignées de tout éclairage public. Les optiques doivent être très lumineuses et donc très "rapides" (offrant un petit rapport focal ou une grande ouverture dans le cas des téléobjectifs) car même dans ces conditions, les temps d'exposition seront de l'ordre d'une heure à f/3.6 et il faudra idéalement empiler plusieurs images, multipliant d'autant le temps d'intégration.

Depuis la découverte de Mandel de nombreux amateurs équipés de matériel performant ont réussi à photographier ces IFN pour citer tous ceux dont les photos sont présentées sur cette page auxquels on peut ajouter Robert Gendler, Antonio Fernandez, Vincent Cheng, Fritz Helmut Hemmerich et Thierry Legault parmi beaucoup d'autres. Tous se sont équipés d'une lunette apochromatique Takahashi FSQ de 85 mm ou 106 mm de diamètre équipée d'un réducteur focal afin d'obtenir un rapport d'ouverture entre f/3-f/3.6 et donc un instrument très lumineux englobant un champ de 5-6° de diamètre au plan focal. Certains utilisent en complément une caméra CCD SBIG de la série STL-11000, l'un des rares modèles capable de cadrer un champ aussi vaste. Quant aux professionnels, ils n'hésitent pas à installer des batteries de lunettes apochromatiques FSQ 106 f/3.6 chacune munie d'une caméra CCD, d'astrographes Riccardi-Honders de 200 mm f/3 ou ASA de 300 mm f/3.6 ou encore des téléobjectifs Canon de 200 mm f/2 USM montés en équatorial pour capter ces faibles voiles, excusez du peu[1].

Ceci dit, pour rassurer les amateurs, un tel équipement n'est pas indispensable pour capter les IFN et beaucoup d'amateurs utilisent de simples téléobjectifs de 135 mm f/2 ou f/3.5 (champ de 10°x15°) ou de 200 mm f/1.8, f/2 ou f/2.8 (champ de 7°x10°) parfois installé sur un système de poursuite SkyTracker d'iOptron (469 € sans trépied) même si cette solution n'est pas optimale. Voir notamment le blog "Night by night".

Grâce à ces optiques, les photographies panoramiques à très longues poses (4-5 heures au total) et généralement sous filtres sélectifs révèlent toute l'étendue de ces voiles dans leur grande majorité invisibles à l'oculaire des lunettes ou des télescopes et même sur les photos ordinaires alors que paradoxalement elles sont très brillantes en infrarouge en raison de leur rayonnement thermique.

A voir : DSC The Book, par Regiola B. Andreo

Les deux galaxies  M81 et M82 apparemment noyées dans les IFN de la Voie Lactée. Les filaments les plus brillants furent observés par William Herschel en 1811 (nébulosité N° 32). Les deux photographies LRGB de gauche et de droite ont été prises par Maurizio Cabibbo avec une lunette apochromatique Takahashi FSQ 106 ED XIII f/3.6 avec lunette-guide et caméra CCD SBIG STL-11000. Au centre, une vue intermédiaire prise par Jean Guimond avec les mêmes types de matériel et logiciels. Aujourd'hui, ce type de photographie reste exceptionnel non seulement par son sujet mais également par la qualité des images en terme de résolution et de guidage grâce à l'utilisation de matériel très perfomant, sans oublier bien sûr le talent des amateurs qui n'en ont plus que le nom.

Les documents ci-dessus comptent parmi les plus beaux exemples de photographies d'objets du ciel profond noyés dans les IFN. Dans le cas du couple de galaxies M81 et M82 situées respectivement à 11.7 et 11.4 millions d'années-lumière dans la Grande Ourse (mais séparées angulairement de 36' seulement soit à peine plus que la pleine Lune), les IFN sont situés à quelques milliers d'années-lumière et font partie de "l'Eperon galactique" (ou Eperon Polaire, le "Polar Spur"). Ces IFN s'étendent à quelques centaines d'années-lumière seulement au-dessus du plan galactique. Nous présenterons d'autres images en gros-plan de ces deux galaxies en page 3 de l'article consacré aux galaxies.

Finalement, en quelques décennies les astronomes ont découvert quantité de cirrus galactiques et IFN autour de la constellation d'Orion, du Cygne, de la Girafe, de Pégase, du Taureau, de la Grande Ourse, du pôle Nord céleste et dans les régions australes de la Voie Lactée.

Comme nous l'expliquerons dans l'article consacré aux nébuleuses et amas stellaires, cette poussière est loin de jouer un rôle secondaire; elle participe activement à la formation des étoiles et l'enrichissement du milieu interstellaire notamment.

Pour plus d'informations

Site de Steve Mandel

Galactic Dust Reddening and Extinction Service, NASA/IPAC

Herschel's Ghosts, Mel Bartels

Unobserved and rarely seen wide angle nebulae next to well-known objects, Mel Bartels

Herschel's Ghosts (par souscription), Sky & Telescope, Mel Bartels, April 2017

Les cirrus galactiques : du milieu interstellaire diffus aux fonds cosmiques (Mémoire), Marc-Antoine Miville-Deschênes, 2011

High-latitude reflection nebulosities illuminated by the Galactic Plane, Allan Sandage, Astronomical Journal, 81, pp.954-957, 1976

Catalogue of Bright Nebulae, Beverly T. Lynds, Astrophysical Journal Supplement, 12, p163, 1965

William Herschel's fifty-two fields of extensive diffused nebulosity - a revision (PDF), Arndt Latusseck, 2008

Astronomical Observations... (dont le tableau des 52 nébulosités), William Herschel, Philos. Trans. R.Soc. Lond., 101, pp.275-276, 1811.

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[1] Le tube optique d'une lunette apochromatique Takahashi FSQ 106 ED revient à près de 6000 € auxquels il faut ajouter une somme équivalente pour la caméra SBIG de type 11000 et autant pour la monture équatoriale sans compter les accessoires (lunette-guide et CCD de guidage, ordinateur, logiciels, etc.). Comme on dit, quand on aime on ne compte pas...


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