L'astrophotographie est un passe-temps qui gagne rapidement en popularité grâce à la technologie de capteur CMOS qui progresse rapidement. Il y a plus de dix ans, le matériau d'enregistrement de la lumière utilisé en astrophotographie était principalement une émulsion chimique. Sa faible sensibilité rend très difficile l'enregistrement du signal faible de l'espace lointain. De plus, le manque de feedback en temps réel est une énorme source de frustration pour les débutants. Les erreurs opérationnelles telles que le flou ne peuvent se produire qu'après plusieurs nuits de dur labeur après le développement du film. Au milieu des années 90, l'avènement des caméras CCD refroidies a apporté des solutions aux problèmes de sensibilité et de rétroaction en temps réel. Cependant, leurs prix élevés et leurs zones de capteurs misérablement petites limitaient leurs utilisations à quelques types d'astrophotographie et à des astrophotographes très enthousiastes. Alors que les CCD ont révolutionné la recherche astronomique, cette technologie n'a jamais vraiment changé le paysage de l'astrophotographie amateur. Le véritable tournant a eu lieu en 2002. Après que Fujifilm a annoncé son reflex numérique FinePix S2Pro et présenté des images astronomiques étonnantes prises par cet appareil photo, les gens ont commencé à explorer sérieusement les reflex numériques pour l'astrophotographie. Les reflex numériques peuvent fournir des commentaires en temps réel, ce qui est très important pour les débutants. Ils ont des sensibilités pas bien pires que les CCD, et les reflex numériques avec de grands capteurs (APS-C) sont assez abordables de nos jours. Le paysage d’aujourd’hui en astrophotographie est façonné par une série de reflex numériques CMOS de Canon, mais les reflex numériques et les appareils photo sans miroir basés sur des capteurs Sony gagnent en popularité très rapidement.
En raison de mon travail, j'ai l'opportunité d'utiliser une large gamme d'instruments d'imagerie, des caméras CCD de plusieurs millions de dollars sur de grands télescopes professionnels aux caméras CCD et reflex numériques amateurs. Ma formation en recherche astronomique me fournit également des outils pour évaluer quantitativement les performances des capteurs et connaître leurs véritables limites. Cela aide non seulement mes recherches, mais aussi mon passe-temps à vie, l'astrophotographie. Côté passe-temps, j'utilise principalement des reflex numériques (Canon 5D Mark II et Nikon D800) pour leurs hautes performances et leurs prix abordables. Pour obtenir les meilleurs résultats d'astrophotographie, les filtres internes des reflex numériques sont modifiés pour avoir un débit plus élevé dans le rouge profond, afin qu'ils puissent être plus efficaces pour enregistrer la lumière rouge de l'hydrogène ionisé dans l'univers. Hormis cette modification de filtre, les reflex numériques utilisés pour l'astrophotographie ne sont pas différents des reflex numériques que nous utilisons quotidiennement.
Le bruit thermique généré par les capteurs est l'un des problèmes très courants liés à l'utilisation des reflex numériques sur l'astrophoto. Les caméras CCD refroidies à -20 ou même -40 degrés C n'ont pas de tels problèmes. Cependant, les capteurs CMOS produits ces cinq dernières années ont tous un très faible bruit thermique. Sous la même température de capteur, leur bruit thermique est en fait beaucoup plus faible que les CCD courants dans les caméras astronomiques. Un autre facteur important que beaucoup de gens négligent sont les sources de bruit autres que la chaleur dans le capteur, dont l'un est le bruit photonique généré par le ciel lui-même. Avec les derniers DLSR dans de nombreuses circonstances, le bruit des photons du ciel submerge souvent le bruit thermique, rendant le refroidissement inutile. Uniquement dans les endroits à la fois chauds et sombres (comme les déserts du sud-ouest des États-Unis), le refroidissement est nécessaire pour exploiter pleinement le ciel sombre.
C'est la configuration d'imagerie que j'utilise souvent. Le reflex numérique est fixé à l'extrémité du télescope principal, qui agit comme un téléobjectif géant (1100 mm, f / 7,3). Il s'agit d'un réfracteur APO, avec une grande lentille correcteur devant le plan focal pour corriger la courbure du champ et l'astigmatisme. Le champ corrigé est suffisamment grand pour couvrir un capteur au format 67. Le télescope repose sur une monture équatoriale, qui est motorisée et peut suivre le mouvement est-ouest des étoiles dans le ciel pour permettre de longues expositions. Au-dessus de la lunette principale se trouve une autre lunette plus petite avec une petite caméra CCD attachée. Cette petite lunette et ce système de caméra peuvent surveiller le suivi de la monture équatoriale lorsque la lunette principale prend des expositions. Il guide automatiquement la monture pour corriger ses erreurs de suivi en temps réel. L'ensemble du système (monture équatoriale, reflex numérique et système de guidage) est contrôlé par un ordinateur portable.
C'est ma configuration lorsque je veux juste prendre des images grand angle. Cela ressemble plus à ce qu'un débutant peut utiliser. La caméra et l'objectif sont fixés sur une monture équatoriale par une rotule. Pour les prises de vue grand angle, le suivi de la monture n’a pas besoin d’être extrêmement précis, de sorte qu’un système de guidage en temps réel n’est pas nécessaire. En règle générale, lorsque la distance focale est inférieure à 200 mm, il est relativement facile de prendre des photos à longue exposition sans utiliser une monture équatoriale sophistiquée et un système de guidage. Les choses commencent à devenir difficiles lorsque la distance focale est supérieure à 300 mm.
Procédure générale
Le flux de travail en astrophotographie est assez différent de celui de la photographie à la lumière du jour. Parce que nos cibles sont très faibles, nous devons exposer pendant quelques minutes, voire quelques heures, pour collecter suffisamment de photo-signal de nos cibles. Cependant, le fond du ciel est généralement si haut qu'il saturera l'image lorsque l'exposition est supérieure à 10 minutes environ (cela est particulièrement vrai sous un ciel pollué par la lumière). Par conséquent, ce que nous faisons est de diviser la longue exposition en plusieurs plus courtes (quelques à 10 minutes) pour éviter la saturation, puis d'empiler (en moyenne) les images à courte exposition en post-traitement pour combiner leur signal. Cela donne un résultat équivalent à une très longue exposition.
Sur le télescope, une fois que la monture équatoriale est installée et alignée sur le Polaris, ce que nous faisons habituellement, c'est d'abord utiliser une étoile brillante pour faire la mise au point. C'était une tâche très difficile, mais maintenant c'est très facile avec la fonction de visualisation en direct du reflex numérique. Ensuite, nous déplaçons notre télescope / objectif pour pointer vers notre cible. Nous pouvons généralement voir très facilement notre constellation cible à travers le viseur de l’appareil photo si nous utilisons un téléobjectif grand angle ou court. D'un autre côté, si nous utilisons un long téléobjectif ou un télescope pour photographier des objets du ciel profond, les cibles sont généralement trop faibles pour être vues directement. Certains tests de courtes expositions avec une sensibilité ISO très élevée peuvent aider à vérifier notre cadrage. Une fois que cela est fait, nous ne faisons que déclencher de nombreuses longues poses longues via un ordinateur ou un déclencheur à minuterie. Comme mentionné ci-dessus, les temps d'exposition typiques varient de quelques à 10 minutes, en fonction de la vitesse de notre objectif et de l'obscurité du ciel. Un ISO très couramment utilisé est 1600. Cependant, avec les reflex numériques récents équipés de capteurs Sony, il est possible d'utiliser 800 ou même 400 ISO tout en obtenant de très bons résultats après un post-traitement. L'avantage des ISO inférieurs est bien entendu leur plage dynamique plus élevée. Il va sans dire que nous tournons toujours en RAW.
En plus des expositions sur le ciel, nous prenons également de nombreuses images de «calibrage» pour supprimer le signal indésirable du ciel, de l'optique et de l'appareil photo. Par exemple, nous prenons des expositions sur des objets avec une luminosité uniforme (comme un ciel de jour ou crépusculaire sans nuages, ou un grand panneau LED) par la suite. Ces images (appelées «champ plat») peuvent être utilisées pour corriger le vignettage provoqué par l'objectif / le télescope dans les images sur le ciel, pour restaurer la luminosité uniforme de l'arrière-plan. Au début ou à la fin de la nuit, nous couvrons entièrement l'objectif / le télescope et prenons des expositions «sombres» lorsque l'appareil photo est à la même température que les prises de vue dans le ciel. Ces images sombres peuvent être utilisées pour supprimer le signal thermique dans les images sur le ciel. C'est essentiellement la même chose que la réduction du bruit à longue exposition intégrée à la plupart des reflex numériques, mais nous le faisons manuellement pour éviter de perdre le précieux temps de la nuit. Nous prenons également des expositions extrêmement courtes (1/8000 s) (appelées «biais») lorsque l'objectif est entièrement couvert, pour tenir compte du signal généré par l'appareil photo lorsqu'il n'y a pas de lumière et aussi pas de temps pour que le signal thermique s'accumule. Comme pour les expositions dans le ciel, nous prenons plusieurs expositions (de quelques à plusieurs dizaines) plates, sombres et biaisées et les faisons la moyenne pour réduire tout bruit aléatoire dans les images afin d'améliorer la qualité du signal. Il existe de nombreux logiciels (tels que DeepSkyStacker, qui est gratuit) qui peuvent traiter les images sur le ciel, à fond plat, sombres et biaisées, et empiler les images calibrées sur le ciel pour former un image de gamme dynamique. Tout cela doit être fait à partir de fichiers RAW, car les images JPEG.webp ne sont pas linéaires et ne permettent pas de supprimer précisément ces signaux indésirables.
(a) est un fichier brut directement converti dans Photoshop et avec un certain étirement du contraste. Ici, nous voyons des indices de nébuleuses rouges dans l'image, mais la caractéristique la plus importante de cette image est le motif de vignettage causé par le télescope et la caméra. (b) est une image «à champ plat» prise avec le même télescope vers le ciel crépusculaire. C'est une image qui ne contient rien d'autre que le motif de vignettage. Mathématiquement, nous divisons (a) par (b) pour supprimer le motif de vignettage et ce calcul est appelé «correction de champ plat». (c) est le résultat d'une telle correction, plus de forts étirements de contraste et de saturation. Nous pouvons voir que sans la correction de champ plat, il n'y a aucun espoir de faire ressortir les nébuleuses faibles partout dans l'image à partir de (a). BTW, la correction du vignettage intégrée à la plupart des logiciels de traitement d'image non astronomiques (tels que Photoshop ou Lightroom) n'est pas assez précise pour l'astrophotographie, même si notre objectif est dans la base de données du logiciel. C'est pourquoi nous devons effectuer nous-mêmes une correction de champ plat à l'aide d'un logiciel conçu pour l'astrophotographie.
Après le calibrage de base et l'empilement d'images, nous utilisons un logiciel tel que Photoshop pour traiter davantage les images empilées. Il faut généralement une courbe très forte et un étirement de saturation pour faire apparaître les petits détails dans une image astronomique empilée. Cela nécessite également beaucoup de compétences et d'expérience pour y parvenir tout en conservant des couleurs précises et un aspect naturel d'une image. C'est essentiellement comme traiter manuellement une image RAW à partir de zéro, sans compter sur aucun moteur de traitement brut. Il n'est pas rare que nous passions plus de temps à traiter une image qu'à son temps d'exposition, et le post-traitement est souvent ce qui sépare les astrophotophotographes de premier ordre des astrophotographes moyens.
Exemples grand champ
Cette photo d'Orion a été prise avec l'objectif Sigma 50mm f / 1.4 Art et le Nikon D800. Il s'agit d'un composite de plus de 60 expositions de 4 minutes à 800 ISO et de f / 3,2 à f / 4,0. Le temps d'exposition total de plus de 4 heures ici est plutôt extrême. Pour les plans de constellation comme celui-ci, nous ne passons généralement que 0,5 à 1,5 heure. Cependant, l'exposition extrêmement longue ici conduit à une meilleure qualité d'image et permet de détecter des nébuleuses très faibles autour d'Orion. Pour capturer efficacement les nébuleuses rouges d'Orion, un reflex numérique modifié est nécessaire. Cependant, avec un modèle non modifié, nous pouvons toujours obtenir la belle couleur des étoiles dans les constellations. Les constellations à champ large sont donc de bonnes cibles pour les débutants qui ne sont pas prêts à envoyer leurs caméras pour la chirurgie.
Cette image de la Voie lactée estivale est prise avec un télescope 500 mm f / 2,8 et le Canon 5D Mark II. Il s'agit d'une mosaïque de 110 images, son champ de vision est donc comparable à celui d'un objectif 50 mm. Je suis un grand fan des images en mosaïque. J’appelle souvent cela la caméra grand format des pauvres. Un panorama de mosaïque fou comme celui-ci contient des détails riches qui dépassent de loin ce qui peut être capturé avec le dos numérique moyen format le plus haut de gamme. Le prix est que la prise de vue et le traitement des images sont très longs.
Ceci est une version étendue de l'image d'Orion. Il montre le grand triangle d'hiver et la voie lactée qui traverse le triangle. Il est pris avec Nikon 28-70mm f / 2.8D à 50mm f / 4 et Nikon D800. Il s'agit d'une mosaïque à quatre images, de sorte que le champ de vision est quatre fois plus grand qu'un champ de vision de 50 mm. Chacun des cadres en mosaïque contient 16 expositions de 5 minutes à 400 ISO.
Il s'agit d'une mosaïque à deux images prise avec un objectif Mamiya 645 45 mm f / 2,8 à f / 4,0 et Canon 5D Mark II. La mosaïque à deux images permet de capturer non seulement la constellation du Cygne, mais aussi la Voie lactée à grande échelle. Chaque cadre de mosaïque individuel contient 16 expositions de 4 minutes à 1600 ISO. En post-traitement, j'ai appliqué une couche pour brouiller la lumière des étoiles brillantes afin que la forme de la constellation soit plus apparente. Le même effet peut être obtenu avec un filtre diffus devant l'objectif. Les filtres couramment utilisés à cet effet incluent Kenko Softon A et Cokin P830.
Exemples du ciel profond
Cette image grand champ autour de l'amas d'étoiles Pléiades (Meissier 45) est prise avec un télescope 500 mm f / 2,8 et un Nikon D800. Il s'agit d'une mosaïque à quatre images, et chaque image contient plus d'une heure d'exposition totale. Les nuages de poussière et de gaz autour des Pléiades sont en fait très faibles. Cela ne nécessite pas seulement de très longues expositions pour les détecter, mais aussi un ciel très sombre et propre. L'étalonnage de l'image doit également être effectué avec une très grande précision, sinon le fond du ciel et le vignettage de l'optique élimineront totalement la faible nébulosité. D'un autre côté, les nuages de gaz bleus comme celui-ci ne nécessitent pas de reflex numérique modifié pour les enregistrer. Le cœur des nuages autour des Pléiades peut être de très bonnes cibles pour les personnes qui n'ont pas de reflex numérique modifié.
La galaxie d'Andromède (Meissier 31) est une cible jamais ratée par aucun astrophotographe. Ceci est pris par le télescope avec ma première configuration et Canon 5D Mark II. C'est une mosaïque à deux cadres. Chaque image contient environ 40 expositions de 5 minutes à 1600 ISO. Les reflex numériques non modifiés peuvent prendre de bonnes photos de cibles de galaxies comme celle-ci. Cependant, si nous regardons attentivement l'image, nous pouvons voir de nombreux petits objets rouges le long des bras en spirale de la galaxie d'Andromède. Ce sont les nébuleuses de gaz géantes qui contiennent de l'hydrogène ionisé. Pour capturer efficacement la lumière rouge de ces nébuleuses, un reflex numérique modifié est toujours nécessaire.
La nébuleuse de la tête de cheval se trouve juste à côté de la ceinture d'Orion et fait partie de l'image d'Orion présentée plus tôt. Il peut être vu à travers des télescopes moyennement grands sous un ciel sombre. Cette image a pris plus de 4 heures d'exposition sur Canon 5D Mark II sur le télescope depuis ma première configuration. La couleur rouge de l'image provient de l'hydrogène ionisé. Il nécessite un reflex numérique modifié pour enregistrer efficacement la lumière rouge.
La nébuleuse nord-américaine est dans Cygnus et fait partie de l'image Cygnus ci-dessus. C'est une nébuleuse assez grande et elle s'intègre bien dans le champ de vision d'un objectif 400 mm (FF). Cette image agrandie a été prise avec le télescope de ma première configuration et le Canon 5D Mark II. Il s'agit d'une mosaïque à 4 images et l'exposition totale de chaque image est de 2,5 heures. La nébuleuse n'est pas complètement rouge. Il y a aussi des composants bleus intégrés dans la lumière rouge, qui provient de l'oxygène ionisé. Si un reflex numérique non modifié est utilisé, la nébuleuse apparaîtra violette ou rose.
Meissier 22 est un amas globulaire en Sagittaire. Il contient environ 300 milliers d'étoiles. Il se trouve contre la Voie lactée d'été, il y a donc aussi de nombreuses étoiles à l'arrière-plan de cette image. Cette image est prise avec le télescope de ma première configuration et le Nikon D800. Le temps d'exposition total est de 1,5 heure. Pour le cluster lui-même, ce temps d'exposition est inutilement long, car le cluster est relativement lumineux. J'ai passé plus de temps dans ce domaine pour capturer le grand nombre d'étoiles de fond pâles appartenant à la Voie lactée. Les cibles stellaires comme celle-ci ne nécessitent pas de reflex numérique modifié. Un non modifié peut tout aussi bien faire.
La galaxie Pinwheel (Meissier 101) est une galaxie proche et apparaît donc relativement grande dans le ciel par rapport à la plupart des autres galaxies. Cependant, il est encore très petit. Sa partie la plus lumineuse a une taille qui est à peu près une demi-lune. Cette photo est prise avec le télescope de ma première configuration et le Canon 5D Mark II. Il est recadré et le champ de vision recadré équivaut à celui d'un objectif de 3000 mm. Il contient un total de 8,5 heures d'expositions normales, plus 3 autres heures d'expositions sous un filtre à bande étroite d'hydrogène alpha (656,3 nm). L'image du filtre à bande étroite vise à mettre en valeur les petites taches de nébuleuses rouges le long des bras en spirale. Malheureusement, ce n'est pas un moyen très efficace d'utiliser un reflex numérique, car seul un quart des pixels reçoivent activement des photons sous un filtre rouge aussi profond. En arrière-plan de cette image, on peut voir de nombreux petits points jaunes. Ce sont de nombreuses galaxies très éloignées. Certaines galaxies sont si éloignées que le temps nécessaire à la lumière pour voyager de ces galaxies vers nous est plus long que l'âge de notre Soleil.
Ce billet d'invité a été rédigé par Wei-Hao Wang, un astronome travaillant dans un institut national de recherche de Taiwan et qui visite actuellement le télescope Canada-France-Hawaï sur la grande île d'Hawaï. Il est également astrophotographe et a commencé ce passe-temps en 1990. Une collection de ses récentes astrophotographies se trouve ici.
