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A la recherche du visage caché d’Hoinga.
Un nouveau SNR dans le ciel.
 

Projet de collaboration entre professionnel et amateurs (ProAm).
Dominique Boutigny, cosmologiste au CNRS travaillant sur le projet Rubin-LSST
Idir Saci, astrophotographe en Haute-Savoie

Article co-écrit par Domnique B. et Idir S.

Imaginez un instant, il y a entre 21 000 et 150 000 ans, une étoile massive rend son dernier souffle lors d’une formidable explosion en supernova.
Elle se désintègre violement, et éjecte autour d’elle une quantité de matière colossale.
Son souffle produit alors des ondes de chocs qui se propagent dans l’espace et comprime au passage la matière interstellaire.
Des structures diffuses et filamenteuses en expansion apparaissent.
Les dentelles d’Hoinga sont nées !
Si ce nom ne vous évoque rien, et ne trouve pas écho dans vos mémoires, alors rassurez-vous c’est normal !
Cet astre a fait l’objet d’une toute récente découverte et n’avait encore jamais été photographié dans le domaine visible jusqu’à ces derniers mois.

Les fulls : 
http://www.astrosurf.com/crepuscule/Perso/hoingafull.jpg
http://www.astrosurf.com/crepuscule/Perso/hoingafullinv.jpg
http://www.astrosurf.com/crepuscule/Perso/hoingafullinvstarless.jpg

1- La découverte d’Hoinga
C’est au début de ce printemps 2021, que le professeur Werner Bercker de l’institut Max Plank de physique extraterrestre (MPE) et ses collaborateurs, font part de leur découverte dans une publication de l’un des plus grands vestiges (rémanent) de supernova jamais observé en rayon X
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2021/04/aa40156-20/aa40156-20.html
https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/2021/04/aa40156-20.pdf
 

Ils lui donnent alors le nom d’Hoinga, en hommage au nom médiéval de la ville natale du découvreur principal.
La première particularité d’Hoinga est d’être grand, tellement grand, qu’il fait environ 90 fois la pleine lune et s’étale sur un champ de plus 16 degrés carrés !
Sa position dans la constellation de l’Hydre lui donne une autre particularité : celle d’être « loin et excentré » du plan galactique.

La découverte d’Hoinga a été rendu possible récemment grâce à l’exploration du ciel dans le domaine des rayons X avec l’observatoire spatial Spekrt-RG(SRG)- eROSITA.
Un instrument mis en service en 2019 dans le cadre d’une coopération entre la Russie et l’Allemagne.
eROSITA est le plus puissant dans son genre, il est le successeur d’autres instruments tels que ROSAT, lancé en 1990 ou XMM-Newton, lancé en 1999 et toujours en opération.

C’est en examinant les résultats du premier relevé de tout le ciel en 2020 (X-Ray All-Sky Survey eRASS1), que Werner Becker et son équipe découvrent un vestige de supernova presque totalement circulaire dans la région de l’Hydre.
La validité de la découverte est renforcée par des similitudes avec plusieurs images en ondes radio, notamment celles du relevé GLEAM du Murchison Widefield Array en Australie.

2- Les données
Mi-mars, Dominique Boutigny, par le biais de son métier de cosmologiste prend connaissance de la pré-publication.
Il relaie l’information sur la liste de diffusion de notre club d’astronomie la SALF et me propose, au vu des caractéristiques de mon setup d’essayer de le photographier.
 

a) Ne connaissant d’Hoinga que son « portrait-robot » dessiné aux rayons x et aux ondes radio, sa représentation reste donc inconnue de nos yeux et de nos instruments optiques. 
Nous n’avons pas idée de à quoi il ressemble visuellement, mais en revanche nous savons exactement où il se trouve.

b) Sa localisation dans la constellation de l’Hydre femelle fait d’Hoinga une cible relativement basse.
Sa trajectoire dans le ciel, ne culmine guère plus haut que 27° de hauteur par rapport à l’horizon.
En raison du relief de mon site d’observation, la fenêtre de visibilité de l’objet ne dépasse pas 3h, et malheureusement elle diminue au fur et mesure que la saison avance, pour se réduire en fin de compte à une peau de chagrin.

c) Dans les éléments positifs, il y a le setup dont les caractéristiques se prêtent bien à la photographie de ce genre d’objet.
La FSQ106 avec ses 530mm de focale et la CCD Moravian G4 équipée d’un grand capteur 37mmx37mm, nous offrent un champ résultant de 4° x 4°.
Les filtres Narowband SHO à 5nm nous permettent de sélectionner le signal utile provenant du vestige de supernova.

Fin mars, la saison des galaxies commence et tout le monde se réjouit, mais pour moi, pas grand-chose à imager avec mon setup.
Du coup, pourquoi pas m’investir sur un projet qui peut avoir un intérêt pour la science ?
Oui volontiers ! Et puis ça tombe bien !
Cela fait plusieurs mois que je fais de la maintenance sur le setup pour optimiser l’automatisation des acquisitions.
Alors il est temps de se faire plaisir sur une cible originale !
 

3- Les débuts de l’enquête
Les premières tentatives pour faire connaissance avec Hoinga arrivent dans les tout derniers jours du mois de mars et les conditions ne sont pas simples.
La lune est montante, présente à 80% et elle n’est pas bien loin de l’objet.
Elle nous empêche d’avoir ce premier rdv avec un beau ciel étoilé sans pollution.

Malgré ces mauvaises conditions, je réalise tout de même quelques prises de vue sur la cible.
Les premières photos souffrent énormément de gradient lunaire et de quelques défauts de flats.
Aucun signal apparent d’Hoinga sur les images brutes. Déception !
S’ensuivent quelques échanges téléphoniques avec Dominique B, qui m’invite et me motive à renouveler l’expérience avec des nuits meilleures.
Je l’écoute et me remets au travail.

Je commence le prétraitement et fais l’intégration des 2h d’acquisitions avec le filtre Halpha (6x 20min).
Pourquoi ne l’ai-je pas fait avant ? – peut-être à cause de l’ascenseur émotionnel !  Euphorie puis déception.
Après un traitement rapide, SURPRISE !!! 
2 petits bouts de filament du rémanent sont visibles à l’extrémité du champ imagé.
Mais une question légitime se pose : signal ou gradient ? Il faut en avoir le cœur net !

En attendant que la lune devienne discrète, une étape de préparation et de réflexion s’impose :
- refaire proprement les fichiers de calibration.
- inspecter les différents relevés « All Sky » d’Aladin pour rechercher d’éventuelles traces d’Hoinga.

La phase de travail sur Aladin est cruciale pour la suite du projet.
Réunion Zoom avec Dominique B, qui m’oriente vers les relevés suivants dans lesquels Hoinga est visible :
- En onde radio : Image > Radio > GLEAM 170 – 231
- En rayons X : Image > X-Ray > ROSAT > RASS -0,1-2,4 keV
Quand on superpose l’image H-Alpha résolut astronomiquement avec les données précèdentes, alors il y a bien concordances du signal. Enfin une bonne nouvelle !
Mais aussi vite des questions surgissent : Où est le reste d’Hoinga ?  Pourquoi avoir seulement capturé une partie dérisoire du signal ?
 

4- Le visage d’Hoinga est démasqué !
Les jours passent, matin et soir, on pense et respire Hoinga. On a plus que ça en tête.
On prend le temps pendant des heures à sonder et inspecter les relevés des différents observatoires depuis le portail du centre de données de Strasbourg (CDS).
Tel deux détectives, on examine la scène du crime à la recherche du moindre indice !
 

Perdu dans mes pensées je me souviens alors d’un article que j’avais lu un an auparavant dans le magazine Ciel et Espace (N°573).
Il était question d’ « un étrange filament de gaz qui traverse la grande Ourse ».
L’article relate l’histoire d’une découverte d’un restant de supernova (SNR) ultra faible.
Une structure rectiligne et fine qui couvre une longueur d’environ 30° dans le ciel.
Dans mes souvenirs, j’ai encore cette image d’illustration du SNR qui est visible dans un relevé d’Aladin.
Mais lequel ??? Je prends alors contact avec Jean-Luc Dauvergne (journaliste du magazine CE) afin de chercher de l’aide sur le sujet.

Après relecture de l’article, Le relevé magique tant recherché est GALEX !
Un télescope spatial mis en orbite par la NASA en 2003 pour l’étude des galaxies et la formation des étoiles dans le domaine de l’ultraviolet.
Très vite je me rends sur Aladin et entre les coordonnées d’Hoinga dans le relevé suivant :
Rayon UV : Image > UV > GALEX > GALEX GR6 AIS - Far UV

Une fois l’image affiché sur l’écran, je deviens comme paralysé, un choc émotionnel incroyable !
Le visage d’Hoinga est démasqué !
A ce moment-là, je suis bien évidement sur un registre affectif et bien loin du domaine scientifique.
Mais quand face à vous apparait un astre aux formes isolées et aux structures rappelant l’image des dentelles du cygne et du taureau, n’auriez-vous pas également l’intime conviction qu’il peut s’agir du rémanent (tant) recherché ???

5- Acquisition et traitement
Avant de poursuivre les acquisitions, un recadrage de la cible s’avère nécessaire.
En effet, depuis le relevé de GALEX, on peut apercevoir que les parties les plus « brillantes » du rémanent se trouvent au bord du champs imageur initialement choisi et centré sur les coordonnées officielle d’Hoinga.
Donc un réajustement du cadrage s’impose pour bien inclure les zones intéressantes de la cible.

Arrive enfin la période sans Lune tant attendue (1erquinzaine d’avril) !
Il est temps de programmer et lancer les acquisitions. Ainsi chaque soir, quand la météo le permet, la lunette pointe sur la cible et emmagasine tous les photons possibles.

Au fur et à mesures que la campagne d’observation se déroule, je réalise de temps en temps quelques intégrations test et découvre finalement que l’objet est tellement faible qu’il ne faudra pas juste 4 ou 5 heures d’acquisitions mais bien plus que ça !
Aussi je comprends vite au vu du temps dont je dispose qu’il vaut mieux se concentrer sur des prises d’images dans une seule longueur d’onde pour avoir le meilleur rapport signal sur bruit, que de tenter d’imager en faisant tourner la roue à filtre.
Tant pis pour cette année, elle tournera l’an prochain !
 

Au final, il ne fallait pas moins de 18 heures d’acquisitions cumulés (53 x 20min en Ha), pour enfin réussir lors du traitement à détacher le signal du fond de ciel bien bruité.
Même avec un temps de poses aussi grand, ne vous attendez pas à voir une photo spectaculaire.
En vu de bien discerner les structures filamenteuses du rémanent d’Hoinga, il est préférable de visualiser l’image à taille réelle, en mode inversé et surtout en version « starless » (sans étoiles).
Pour vous donner une idée de la faible luminosité du sujet, une comparaison à temps de poses unitaire égale montre que Hoinga est largement plus faible que la nébuleuse planétaire OU4 découverte il y a une dizaine d’année par Nicolas Outters.

Au niveau traitement, on est bien loin des processus qu’on applique habituellement à nos photos à caractère esthétique.
Ici seul une montée d’histogramme fortement contrasté a été utilisée.
En revanche, il fallait apporter beaucoup de soins et de vigilance à la phase de pré-traitement.
La rigueur était de mise à chaque étape et sans rien négliger : qualité des fichiers de calibrations, tri des images brutes, retrait de gradients, etc.
Enfin pour optimiser le rapport signal sur bruit, l’aide et les explications de Jean-Baptiste Auroux (auteur du site Photon Millenium) sur le choix d’une formule de pondération des images brutes, a été plus que précieuse.

6- Pourquoi un rémanent aussi faible est-il visible dans le l’ultraviolet ?
L’astrophysicien Dominique Boutigny, nous explique à propos de l'UV et du Halpha :

« L’Hydrogène est l’élément le plus abondant dans l’univers.
Transparent pour les longueurs d’ondes optiques, sa présence peut être mise en évidence lorsqu’il est excité par un rayonnement énergétique.
Lors d’une telle excitation, les électrons des atomes d’hydrogène peuvent passer temporairement sur des niveaux atomiques supérieurs.
Lorsqu’ils se dé-excitent pour revenir vers des niveaux d’énergies inférieurs ils émettent des photons dont la longueur d’onde dépend des niveaux de départ et d'arrivée.
Lorsque les transitions se font d’un niveau supérieur vers le niveau fondamental (n=1) on obtient une série de raies nommées “série de Lyman” dont les longueurs d’ondes associées sont toutes dans l’ultraviolet.
Lorsque les transitions se font d’un niveau supérieur vers le deuxième niveau (n=2) on obtient la série de Balmer qui comprend notamment la raie Halpha (transition n=3 → n=2).

L’ultraviolet étant bloqué par l’atmosphère, il est impossible de détecter les raies Lyman depuis le sol. En revanche, le satellite Galex, en orbite, peut repérer les zones d’hydrogène rayonnant dans ultraviolet.
La plupart du temps, ces zones peuvent aussi être observées via la raie Halpha qui trace également l’hydrogène excité.
C’est ainsi que l’utilisation du relevé Galex est une très bonne façon d’identifier des zones potentiellement intéressantes pour l’astronomie au sol. »
 

7- Présentation du projet aux chercheurs :

Dès que les images finales ont été disponibles, nous avons contacté Werner Becker et ses collaborateurs pour leur faire part de notre observation.
Une réunion zoom a été organisée afin d’échanger sur nos données respectives.
Nous pensions au départ que ces images en Halpha avaient de bonnes chances d’être les premières et qu’une publication scientifique complémentaire à la découverte d’Hoinga était envisageable.
Malheureusement Werner Becker nous a annoncé qu’un groupe d’amateurs du MDW Sky Survey https://www.mdwskysurvey.org/  au Nouveau Mexique nous avait coupé l’herbe sous le pied.
Une publication contenant les observations optiques d’Hoinga était déjà sortie : https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac0ada

Il est toutefois intéressant de noter que le matériel et l’approche des amateurs américains, notamment l’utilisation du relevé GALEX, étaient très proches des nôtres.

Le lien est maintenant établi avec l’équipe des découvreurs d’Hoinga, peut-être nous contacteront-ils à l’occasion d’autres observations nécessitant des images complémentaires au sol.
Ils semblaient en tout cas attendre beaucoup des nouvelles données de e-ROSITA...

8- Conclusion
Les spécialistes estiment qu’il doit exister environ 1200 vestiges de supernovae dans la Voie Lactée.
À ce jour, seulement 300 ont été identifiés, principalement via des relevés en rayons X.
Il reste donc plein de possibilités de découvertes et il est clair que les amateurs ont un rôle à jouer dans ces observations.
Le grand champ associé à des filtres en bandes étroites semble être la combinaison gagnante surtout si celle-ci est associée à un observatoire permettant d’automatiser au maximum les prises de vues.
C’est en effet des dizaines d’heures d’acquisitions qui sont nécessaires pour espérer mettre en évidence ces très fins filaments.

Merci de nous avoir lus.
Bon ciel et bonne observation.

Idir et Dominique.