Astrophotographie : le ciel profond

Télescope équipé pour l'astrophoto

Une fois que l’on a passé un peu de temps à se promener dans le ciel avec son premier télescope, on peut rapidement avoir envie d’immortaliser ses observations avec un smartphone ou un appareil photo, et on peut même commencer à se demander si finalement une caméra spécialisée ne serait pas une bonne idée. On met alors le doigt dans le monde de l’astrophotographie qui est un monde différent, et complémentaire, de celui de l’astronomie visuelle. Il s’agit d’un domaine qui demande de la patience et de la technique. De même, le matériel utilisé est souvent différent du matériel utilisé pour observer et le budget est plus important. 

Dans cet article nous allons parler exclusivement de la photographie du ciel profond, c’est-à-dire de tout ce qui se trouve en dehors du système solaire. La photographie de la Lune et des planètes fera l’objet d’un autre article. Nous n’allons pas rentrer dans des détails trop pratiques, nous allons simplement essayer de dégrossir le sujet pour vous donner une idée de ce que l’astrophotographie du ciel profond implique.

Nous allons dresser la liste de ce dont vous allez avoir besoin pour vous lancer dans l’aventure et examiner quelques techniques fondamentales employées dans l’astrophotographie.

Cela peut paraitre surprenant à première vue, mais l’astrophotographe sera bien moins gêné par la pollution lumineuse que celui qui observe à l’oculaire de son télescope. La proximité des villes et de leurs éclairages urbains limite le nombre de choses que l’on peut voir au télescope, mais les capteurs des caméras et des appareils photo ont un avantage sur l’œil humain : ils peuvent faire de longues expositions. Cela permet d’utiliser des filtres qui vont éliminer une partie très importante de la pollution lumineuse. Ces filtres sont sélectifs et diminuent fortement la quantité de lumière parasite reçue par le capteur.

Compenser la rotation de la Terre

Photographier des objets lointains comme des nébuleuses et des galaxies qui sont à peine visibles à l’oculaire, ou même invisibles tant leur lumière est faible, exige des temps d’exposition longs, plusieurs dizaines de secondes. Cependant, la Terre tourne sur elle-même et donc la position des étoiles dans le ciel change tout au long de la nuit. À l’œil nu il faut un bon moment pour s’en apercevoir, mais si vous regardez dans un télescope, vous allez voir les choses se déplacer dans l’oculaire. Plus fort est le grossissement, plus le déplacement apparent est important.

Pour éviter que les étoiles ne se transforment en trainées de lumière sur l’image, et sauf si c’est l’effet recherché, il faut compenser la rotation de la Terre. Votre télescope ou votre appareil photo devra être fixé à une monture équatoriale motorisée dont l’un des axes sera parallèle à l’axe de rotation de la Terre (voir Les montures de télescope pour en savoir plus). Installer une monture de télescope de cette façon s’appelle faire la mise en station.

Malheureusement, une mise en station légèrement imparfaite combinée à d’inévitables petits défauts dans la mécanique fait que suivre la rotation apparente du ciel avec une précision suffisante pour des temps d’exposition longs avec un télescope est rarement possible. C’est pourquoi dans l’astrophotographie au télescope, on se sert souvent de ce que l’on appelle l’autoguidage.

Cela consiste à détecter les plus petits mouvements d’une ou de plusieurs étoiles témoin dans le champ d’un instrument et de corriger le mouvement des moteurs de la monture en conséquence. Ce serait très laborieux à faire à la main, on confie donc cette tâche à un ordinateur comme nous allons le voir ci-dessous.

Équipement d’astrophotographie

Avant d’entrer dans le détail des équipements sophistiqués, il est important de savoir qu’un simple appareil photo numérique permet déjà de faire ses premiers pas. La photographie du ciel nocturne reste accessible à tous ceux qui possèdent un appareil photo et un trépied stable.

Un boitier numérique en mode manuel, associé à un objectif grand-angle lumineux (c’est-à-dire avec une grande ouverture), offre déjà de belles possibilités. La Voie Lactée, par exemple, se révèle particulièrement photogénique sous un ciel sans Lune, tout comme les constellations qui dessinent leurs motifs caractéristiques. Les amateurs de compositions plus artistiques peuvent même jouer avec les poses longues pour capturer la rotation apparente du ciel autour de l’étoile Polaire, créant ces arcs d’étoiles si caractéristiques.

Cette pratique plus simple de l’astrophotographie permet de toucher aux particularités de la prise de vue nocturne : le besoin de sensibilités ISO élevées, la gestion des temps de pose, et bien sûr la rotation de la Terre qui limite la durée des expositions. 

Si l’on veut aller plus loin, on va s’orienter vers des équipements spécialisés que nous allons maintenant découvrir. Un équipement d’astrophotographie typique se compose des éléments suivants :

Un télescope principal et de quoi faire des images

On va y fixer un appareil photo numérique ou une caméra d’astronomie que l’on appellera par convention l’imageur principal.

Éventuellement une lunette guide et sa caméra

Il s’agit d’une petite lunette, la lunette guide, montée en parallèle sur le télescope principal et sur laquelle est fixée une caméra d’astronomie (elle sera souvent moins performante que l’imageur principal) : la caméra de guidage. Il est à noter que sur certaines configurations la lunette guide n’est pas utilisée, mais la caméra de guidage est installée en parallèle de l’imageur principal grâce à un diviseur optique, permettant de séparer une petite partie du flux lumineux vers cette caméra.

Une monture équatoriale

Elle devra être suffisamment robuste pour supporter les équipements décrits ci-dessus. Les fabricants indiquent en général deux charges utiles pour leurs montures : la charge utile en observation visuelle et la charge utile en astrophotographie. Il s’agit du poids total de tout ce que l’on peut fixer sur la monture (sans les contrepoids) selon l’usage que l’on en fait. La charge utile est plus faible en astrophotographie, car le besoin de précision est plus important.

(Voir Les montures de télescope.)

Un système de gestion informatisé

Pas nécessaire si vous utilisez uniquement un appareil photo et un téléobjectif ou une lunette de petite focale, mais indispensable avec un télescope. Ce système est généralement composé d’un ordinateur, parfois un simple Raspberry Pi et parfois un ordinateur plus puissant. Certains fabricants de matériel d’astronomie proposent des boitiers prêts à l’emploi avec une application sur tablette ou smartphone. Si l’ordinateur est fixé sur le tube, il entre en compte dans le calcul de la charge utile.

Ce système a plusieurs rôles, parmi lesquels :

  • la gestion des prises de vue de l’imageur principal : il va notamment gérer les temps d’exposition et les séquences de clichés ;
  • la gestion du suivi (ou guidage) : il va prendre des photographies du ciel à intervalle régulier à l’aide de la caméra de guidage et comparer la position des étoiles entre deux clichés. En cas de décalage, il va envoyer des commandes à la monture à laquelle il est relié afin de faire les corrections nécessaires. Avec un tel système d’autoguidage, il est possible de cumuler les poses successives pendant des heures tout en maintenant l’objet photographié au même endroit dans le champ de vue de l’imageur principal.

Il existe différents logiciels spécialisés sur Windows, Linux ou macOS : NINA, KStars, Prism, etc. Certains sont gratuits, d’autres payants et ils peuvent être plus ou moins compliqués à utiliser.

L’Asiair de ZWO est un boitier intégré qui prend en charge toute la gestion des prises de vue et qui se pilote à l’aide d’une application mobile.

Les capteurs photographiques en astronomie

Ce qui suit est d’ailleurs valable aussi bien pour l’astrophotographie que pour la photographie de jour. Que vous utilisiez une caméra dédiée, un appareil photo numérique ou un smartphone, votre appareil dispose d’un capteur CMOS ou parfois d’un capteur CCD. Nous n’allons pas entrer dans les différences entre ces dispositifs et nous allons pour le moment les considérer comme équivalents. Il s’agit dans les deux cas d’un montage électronique constitué d’une surface rectangulaire ou carrée recouverte d’une grille de minuscules composants sensibles à la lumière : les photosites. Le dispositif va transformer la lumière qui arrive sur ces photosites en signaux électriques qui pourront ensuite être enregistrés sur un support informatique. Les photosites sont parfois appelés pixels et vous entendrez souvent dire qu’un capteur a un certain nombre de mégapixels. Il s’agit du nombre de millions de photosites qui le couvrent.

Matrice de Bayer
Matrice de Bayer

Si vous utilisez une caméra couleur, ce qui n’est pas toujours le cas en astrophotographie (nous verrons pourquoi par la suite), votre capteur sera très probablement recouvert d’une matrice de Bayer. Il s’agit d’une grille de petits filtres placés chacun au-dessus d’un photosite. Il y a habituellement un quart de filtres rouges, deux quarts de filtres verts et un quart de bleus. Chaque photosite ne reçoit donc que les photons d’une seule couleur. Le rouge, le vert et le bleu sont les trois couleurs primaires et il est possible de reconstituer n’importe quelle couleur en les combinant et en variant leurs intensités respectives. Les images numériques sont représentées à l’aide d’un pixel pour chaque couleur primaire (en réalité il peut y avoir plus de couleurs, mais dans l’astrophotographie qui nous intéresse, on n’en utilise que trois).

Les photosites de votre capteur se trouvent à l’endroit où l’image se forme, derrière votre ensemble optique (le jeu de lentilles du téléobjectif, les lentilles de la lunette astronomique ou le miroir du télescope) et ils reçoivent la lumière de l’objet que vous photographiez. Chaque particule de lumière (photon) qui les touche va les charger un peu plus. En journée, il n’est pas nécessaire de les laisser exposés à la lumière longtemps, mais la nuit plusieurs dizaines de secondes sont souvent nécessaires, car les photons sont beaucoup plus rares. C’est la différence principale entre la photographie de jour et la photographie de nuit.

Techniques de prise de vue en astrophotographie

Les techniques de prise de vue en astrophotographie diffèrent à bien des égards de la photographie diurne qui se résume la plupart du temps à un cliché par image. La photographie d’astronomie nécessite de prendre plusieurs clichés, d’une part parce que l’on photographie des sujets très peu lumineux, mais aussi en raison d’un certain nombre de phénomènes électroniques qui vont venir parasiter l’image. Les différents clichés que nous allons examiner sont les suivants :

Clichés de lumière : ce sont les clichés de l’objet que vous photographiez. À cause de la faible luminosité de ce dernier, vous allez devoir faire plusieurs longues expositions.

Clichés de calibration : ils servent à corriger les défauts électroniques et optiques de votre équipement et sont indispensables pour la réalisation d’astrophotographies correctes.

Une fois ces différents clichés pris, ils sont combinés à l’aide d’un logiciel de prétraitement.

Clichés de lumière

Il faut parfois une, voire plusieurs heures d’exposition pour obtenir une image. Cependant, on ne fait jamais une seule exposition de plusieurs heures. Dans la réalité, il est très fréquent de travailler avec des clichés d’une demi-minute à trois minutes d’exposition que l’on cumule ensuite dans le logiciel de prétraitement.

Clichés de calibration

Les effets électromagnétiques à l’intérieur des capteurs photographiques, qui peuvent être ignorés pour la photographie diurne, doivent être pris en considération en astrophotographie. De même, les imperfections et les poussières dans la partie optique peuvent dégrader l’image finale et il doit en être tenu compte. Les effets électroniques produisent des parasites, mais le terme exact c’est bruit, par opposition au signal qui lui représente les informations utiles : dans notre cas les particules de lumière qui proviennent de la nébuleuse ou de la galaxie que l’on photographie.

En astrophotographie, le signal c’est la lumière qui provient de l’objet photographié et le bruit ce sont les parasites induits par le système. Dans l’idéal on essaye d’avoir le plus de signal possible et le moins de bruit possible. On appelle ce ratio, le rapport signal/bruit.

Nous allons passer en revue les différentes sources de bruit et voir comment il est possible de les réduire à l’aide de clichés de calibration.

Le courant d’obscurité et les clichés noirs (ou darks)

Nous l’avons vu plus haut, les photosites transforment la lumière en charges électriques, mais malheureusement il arrive aussi que des charges électriques apparaissent spontanément dans les photosites même en l’absence de lumière, il s’agit du courant d’obscurité. La quantité de courant d’obscurité va dépendre de la température du capteur, plus le capteur est froid, moins il produira de courant d’obscurité et inversement. Il existe heureusement des techniques pour diminuer ce courant ou son influence. La première consiste à refroidir le capteur, il existe des caméras refroidies capables de faire descendre la température du capteur de plusieurs dizaines de degrés par rapport à la température ambiante. L’autre technique, utilisée en parallèle, consiste à prendre des clichés noirs, c’est-à-dire des clichés pris avec le cache du télescope ou de l’objectif fermé. Ils sont réalisés dans les mêmes conditions de prise de vue que les clichés de l’objet photographié (qui sont appelés les clichés de lumière), notamment avec le même temps d’exposition et la même température. Ces clichés noirs (ou darks en anglais) ne contiennent que le bruit dû au courant d’obscurité. Alors qu’ils devraient être entièrement et uniformément noirs, ils sont au contraire parsemés de points blancs qui correspondent notamment aux photosites chargés électriquement par le courant d’obscurité. Le logiciel de prétraitement va repérer leur position qui est invariable pour une température donnée, puis les retirer des clichés de lumière.

Les clichés noirs permettent aussi de détecter les pixels morts, qui sont en réalité des photosites défectueux.

Le bruit de lecture et les clichés biais (ou offsets)

Les photosites du capteur photographique sont chargés électriquement par l’arrivée de lumière (de photons) pendant toute la durée de l’exposition et une fois celle-ci terminée, un dispositif électronique lit ces charges électriques pour savoir quelle quantité de lumière est arrivée sur chaque photosite. Cette opération entraine malheureusement un bruit de lecture qui va parasiter l’image. Pour le contrer, on réalise des clichés qui s’appellent des biais, ou des offsets. Ils sont également pris avec le cache sur l’objectif, mais avec la durée d’exposition la plus courte permise par l’appareil utilisé.

Le logiciel de prétraitement va combiner ces clichés et les clichés noirs pour repérer la position des photosites bruités et corriger le cliché de lumière en conséquence.

Pour diminuer le bruit dû au courant d’obscurité et du dispositif de lecture, on réalise une série de clichés avec le cache sur l’objectif. Un logiciel de prétraitement peut ensuite s’en servir pour repérer la position du bruit et retirer ce dernier du cliché final. Il faut prendre plusieurs de ces clichés de calibration pour diminuer efficacement le bruit.

Distorsions optiques, poussière et clichés plats (plage de lumière uniforme ou flats)

Les systèmes optiques ont tendance à produire des images qui ne sont pas totalement exemptes de distorsions optiques (en particulier dans les coins). De même, vos optiques sont rarement parfaitement propres et pour finir, la sensibilité des différents photosites de votre capteur varie légèrement. Tout ceci provoque des effets non voulus, mais là aussi heureusement il y a un moyen de les mitiger. Pour ce faire, on prend des clichés d’un fond monochrome dont l’éclairage est parfaitement homogène. Il existe plusieurs méthodes pour cela : photographier un ciel bleu sans nuages au lever du soleil après la séance d’astrophotographie, poser un teeshirt blanc devant l’objectif et l’éclairer par-derrière de façon uniforme, ou se procurer un écran à flat qui est un dispositif conçu à cet effet. Une série de plats sera nécessaire, elle sera utilisée par le logiciel de prétraitement pour identifier les régions non homogènes et les ajuster.

Les filtres

L’astrophotographie se pratique souvent avec des filtres que l’on place devant l’imageur principal. L’intérêt de ces filtres est soit de diminuer la lumière indésirable, par exemple la lumière de l’éclairage public, soit de ne photographier qu’une partie de la lumière émise par un astre. Certaines nébuleuses composées d’hydrogène ionisé émettent beaucoup de rayonnement H-alpha. Un filtre H-alpha permet de rejeter le reste de la lumière et de ne conserver que ce rayonnement. Il existe d’autres filtres adaptés à l’oxygène ionisé ou aux infrarouges.

Caméras monochromes et filtres de couleur

Très souvent, les caméras d’astrophotographie sont monochromes, elles ne distinguent pas les couleurs. Un capteur monochrome est plus sensible qu’un capteur couleur. Souvenez-vous que sur un capteur couleur est apposée une matrice composée de filtres rouges, verts et bleus (la matrice de Bayer). Chaque photosite est ainsi consacré à une seule des trois couleurs et tout photon d’une autre couleur sera rejeté par le filtre du photosite. Dans une caméra monochrome, peu importe la couleur du photon qui vient frapper un photosite, il ne sera jamais rejeté. 

Alors, comment obtenir une image en couleur avec un capteur monochrome ? Tout simplement en faisant des clichés avec trois filtres : un rouge, un bleu et un vert, puis en les combinant dans le logiciel de prétraitement pour obtenir une image couleur ! Chaque cliché pris à l’aide d’un filtre s’appelle une couche (à l’instar de la peinture). On peut alterner les trois filtres rouge, vert et bleu, puis faire quelques clichés à l’aide d’un filtre sélectif, un filtre H-alpha par exemple, puis combiner le tout et ajuster la quantité (le niveau) de chaque couche en fonction de l’effet esthétique recherché.

Notez que si vous photographiez à l’aide de filtres, vous allez devoir faire plusieurs clichés par filtre, tout comme dans le cas des clichés réalisés avec un capteur couleur dont nous avons parlé plus haut, et vous devrez réaliser les mêmes clichés de calibration pour chaque filtre. La séance d’astrophotographie sera d’autant plus longue que vous aurez de filtres différents.

Les logiciels de prétraitement

Nous avons beaucoup parlé des logiciels de prétraitement et voici une liste de quelques-uns des plus fréquemment utilisés.

  • Siril (https://siril.org/fr/) en français, gratuit, tourne sur Windows, macOS et Linux. L’équipe de développement se trouve sur Astro-Fr !
  • PixInsight (https://pixinsight.com/) en anglais, payant, tourne sur Windows, macOS et Linux.
  • DeepSkyStacker (DSS) (http://deepskystacker.free.fr/french/index.html) en français ainsi que de nombreuses langues, il est gratuit et tourne sous Windows uniquement. 
  • Astro ImageJ (https://www.astro.louisville.edu/software/astroimagej/) est un package spécialisé pour l’astronomie, il est gratuit et sous linux. Il fonctionne avec ImageJ qui est également gratuit.
  • Astro Pixel Processor (https://www.astropixelprocessor.com/) en anglais, payant, tourne sur Windows, macOS et Linux.
  • Adobe Photoshop/Lightrooom : Et plus généralement les logiciels de manipulation d’images pourront être utilisés pour réaliser un prétraitement (et posttraitement), Gimp peut également être utilisé. Néanmoins certaines fonctionnalités spécifiques et certaines compatibilités pourront être manquantes.
  • Affinity photo : dispose d’un module de prétraitement et d’empilement.