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Les couleurs des images spatiales

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Sous les publications avec des photos de galaxies, de nébuleuses ou même des planètes de notre système solaire, il y a souvent des questions sur les couleurs réelles ou non des photos spatiales. Dans cet article on va essayer d’expliquer comment les caméras des sondes spatiales fonctionnent et si les photos correspondent ou non à des "vraies couleurs".

 

Les couleurs des images spatiales

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La lumière et les caméras

Parler de "vraie couleur" ne veut rien dire. La lumière que l’on perçoit est plutôt appelée lumière visible. Ce n’est qu’une petite partie du spectre électromagnétique. Les instruments qui seront cités sont des imageurs, ils transforment l'information reçue d'une onde électromagnétique en image.

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Schéma du spectre électromagnétique, avec la fine bande de fréquences perceptible par notre œil.

Une caméra est composée d'un système optique (l'objectif sur l'appareil photo, ou un système de miroirs sur les télescopes) et d'un imageur (ou capteur). Ici nous aborderons les capteurs en eux-mêmes.

 

L’œil

La première caméra dont je vais parler est une caméra que la plupart d’entre nous avons : l’œil.

L’œil dispose de deux types de capteurs : les cônes et les bâtonnets. Les bâtonnets sont sensibles à l’intensité lumineuse. Les cônes, eux, existent en trois versions, une sensible au vert, une pour le rouge et une pour le bleu. Tous ces signaux qui viennent de différents endroits de la rétine sont envoyés au cerveau qui en fait une image composée des trois couleurs primaires, qui fait donc un résultat en couleur.

Dans l'obscurité, il y a trop peu de luminosité pour activer les cônes, les bâtonnets sont au contraire bien plus sensibles, nous voyons donc pas trop mal dans l'obscurité, mais en noir et blanc.

 

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                                                         Matrice de Bayer

Les caméras grand public

Les caméras grand public comme celles de votre smartphone, vont capter la lumière dans le spectre du visible en général. Mais le capteur seul fonctionne comme les bâtonnets : il ne voit qu’en noir et blanc. En effet les capteurs utilisés sont des capteurs CCD ou des CMOS, il sont sensible à la quantité de lumière (et la position dans l'espace), mais pas à sa fréquence (donc pas à la couleur). Si vous prenez une image avec un capteur CCD nu, l'image sera en noir et blanc.

Pour réaliser une image en couleur, on ajoute un filtre infrarouge (les capteurs y sont généralement sensibles au contraire de nos yeux) et on rajoute ce qu’on appelle une matrice de Bayer sur le capteur. Cette matrice est en fait un patchwork de filtres qui ne laissent passer que certaines couleurs, les pixels sous les carrés rouges ne seront donc sensible qu'à la lumière rouge par exemple.

Ainsi, avec un nombre de pixels suffisamment grand, on a en chaque endroit du capteur une information sur chacune des trois couleurs primaires, et le reste du système électronique et logiciel peut reconstituer une image en couleur identique à ce qu'on peut voir avec nos yeux.

 

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La roue à filtres de la sonde
européenne Solar Orbiter

Les caméras spatiales

Dans le spatial ce n’est pas exactement pareil que pour les appareils photos. On utilise aussi les capteurs CCD, mais la manière d'obtenir les couleurs est souvent différente car plus adaptée.

Comme on privilégie des longues poses, on va en général utiliser une roue à filtre pour faire une photo avec un filtre rouge (qui ne captera donc que la lumière rouge), puis une photo avec un filtre vert et enfin une photo avec un filtre bleu (pas forcément dans cet ordre mais l’idée c’est que les photos sont faites par filtres successivement). En superposant numériquement ces photos, le résultat donnera une photo en couleur réelle.

 

 

 

 

 

 

Voyons un exemple avec la sonde Cassini sur une image de Saturne derrière sa lune Titan. De la même manière, la même image est prise plusieurs fois en filtrant différentes couleurs.

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Filtre Vert
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                                        Filtre Bleu
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Filtre Rouge

 

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Filtre Clair - Ce filtre correspond à la lumière visible,
non filtrée, et centrée autour de 651nm.
Il permet la présence de plusieurs longueurs d’ondes
contrairement aux filtres précédents.
Il permet notamment d’imager des objets peu lumineux.

 

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L'image finale est obtenue en couleur en superposant
les différentes images primaires

 

Mais les besoins des scientifiques concernent également  des longueurs d’ondes hors du visible. Certains télescopes (comme Spitzer ou le JWST) ont des capteurs optimisés pour l’infrarouge / les rayon X / les ultraviolets etc. Dans ces cas là, des couleurs visibles artificielles sont mises au montage pour que l’image présentée au public ne soit pas en noir et blanc.

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La nébuleuse de la tarentule par le télescope spatial Spitzer. Les couleurs
sont artificielles.

 

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Certaines caméras peuvent également avoir plus de trois filtres et donc prendre des images en couleurs visibles + des couleurs non visibles mais qui seront incorporées à l’image finale. Dans ce cas le résultat final ne correspond donc pas totalement a une image en couleur visible.

Il existe cependant des exceptions. Certaines caméras du rover Curiosity ont une matrice de Bayer. Il dispose par ailleurs d'un équipement permettant de faire la balance des blancs

Dans la même idée, la sonde Juno a un filtre assez particulier. La sonde est en rotation permanente et les filtres sont à la suite les uns des autres, le traitement logiciel enregistrant les pixels, non pas d’une seule traite mais par ligne en prenant en compte la rotation de la caméra. Cela permet de maximiser le temps d'exposition, sans que la photo soit floue.

C'est d'ailleurs ce qui explique les artefacts sur les bords des photos où Jupiter n’apparaît pas entièrement.

 

Le temps de pose

Même si certaines photos sont en couleurs visibles, vous ne verriez pas réellement avec votre œil ce que les caméras obtiennent. En effet, la luminosité de certains objets astronomiques est tellement faible que les temps de poses peuvent se compter en heures. Notre œil est habitué à un environnement lumineux avec le soleil assez proche et serait donc incapable de détecter des objets trop peu lumineux. De cette façon par exemple, les photos du ciels obtenues par des photographes comportent beaucoup plus d'étoiles que ce qu'on peut voir à l’œil nu.

 

La différence entre le catalogue d’image et les images à destination du grand public

Les images à destination du grand public peuvent également être retouchées dans des buts purement artistiques, comme on l'a vu avec l'image de Spitzer. Ces images et ces retouches de couleurs sont destinées à la presse grand public. Par exemple ici les Piliers de la création avant après retouche artistique.

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Photo originale
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                                                         Photo retouchée

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Les selfies de Curiosity

Pour rester dans les caméras d’équipements spatiaux, les selfies de Curiosity suscitent régulièrement des interrogations étant donné qu’on ne voit pas de perche à selfie. Curiosity réalise en réalité plusieurs clichés à l’aide de la caméra située sur son bras robotisé. Il peut ainsi changer l’angle sans changer la position de la caméra. Il suffit ensuite d’assembler les images ou le bras n'apparaît pas pour donner ce rendu panoramique et l’impression qu’une personne a pris le rover en photo.

On peut voir une vidéo du procédé sur ce lien : https://youtu.be/L_ii2GABPao

 

Les longueurs d'ondes extrêmes

Jusqu'à présent, nous avons parlé des capteurs et de la façon d'obtenir les images pour la plupart des longueurs d'ondes (Rayons X proches, UV, lumière visible, Infrarouge). Mais pour obtenir des images dans des domaines de longueurs d'ondes situés sur les extrémités du spectres, les techniques sont différentes. En effet les capteurs photos utilisés ne sont pas sensibles à ces longueurs d'ondes extrêmes que sont les rayons gamma et les ondes radio (tout ce qu'il y a à gauche des Rayons X et à droite des infrarouges sur le spectre).

Les ondes radios ont une fréquence suffisamment faible pour détecter directement les variations de champ électromagnétique, autrement dit on peut directement mesurer l'onde électromagnétique en elle-même. Les capteurs mentionnés jusque là (y compris l’œil) utilisent des procédés physico-chimiques qui donnent l'information sur la quantité de lumière de façon indirecte. Les radio-télescopes peuvent alors obtenir directement l'information en intensité et en fréquence en chaque point du ciel. En mesurant cela sur chaque point d'une zone du ciel ils peuvent alors reconstituer une "image radio". Des couleurs artificielles peuvent êtres rajoutées alors selon l'intensité ou les différentes fréquences.

Les rayons gamma eux sont trop énergétiques pour être captés par un capteur, ce dernier serait détruit. On utilise alors des procédés indirects avec différents matériaux qui vont selon les procédés employés permettent d'obtenir soit une information en intensité ou en énergie du rayon gamma (ce que fait le satellite Fermi), la encore des couleurs peuvent être ajoutées artificiellement à la manière des autres longueurs d'ondes non-visibles.

 

Conclusion

Parler de “vraie” et “fausse” couleur ne veut rien dire. Il faut parler de photos en couleurs visibles et de photos dans telle ou telle gamme de longueur d'onde. Nos yeux, nos appareils photo du quotidien et les caméras des sondes spatiales fonctionnent un peu de la même manière avec des capteurs sensibles à la luminosité et des capteurs/filtre selon les longueurs d’onde.

Même si c’est en lumière visible, la longueur d’exposition joue sur l’image finale et n’est pas forcément représentative de ce qu’on peut avoir comme résultat avec l’œil humain.

On ne peut pas faire de généralisation “toutes les photos spatiales sont en fausses couleurs” car ça dépend du télescope, des filtres utilisés, de la source (communication grand public ou banque d’image avec toutes les données non retouchées pour les besoins grand public)

 

Amusez vous sur ce site, vous pouvez bouger les curseurs pour voir des images en couleurs visible et dans d’autres couleurs :

https://www.nasa.gov/content/explore-light

 

 

 


Sources :

CICLOPS.ORG

Information about the Imaging Science Subsystem - the two powerful telescopic cameras onboard Cassini.

 

https://pds-rings.seti.org/cassini/iss/COISS_0011_DOCUMENT/iss_data_user_guide_160929.pdf

 

is_solar_orbiter_eui.jpg
SPACEGATE.CNES.FR

CNES Elle est un composant du satellite européen Solar Orbiter. Lancement prévu ces jours-ci.

 

www.nasa.gov
WWW.NASA.GOV

NASA.gov brings you the latest images, videos and news from America's space agency. Get the latest updates on NASA missions, watch NASA TV...

 

https://ssed.gsfc.nasa.gov/IPM/PDF/1073.pdf

 

672640main_malin-4_full.jpg?itok=IOyZzuk
WWW.NASA.GOV

This graphic shows the locations of the cameras on NASA's Curiosity rover. The rover's mast features seven cameras: the Remote Micro Imager, part of...

 

https://t.co/iBZXBnN84h?amp=1

 

MSL-SCICORNER.JPL.NASA.GOV

[NULL]

 

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WWW.NASA.GOV

In this Hubble Space Telescope image, researchers has revisited one of Hubble's most iconic and popular images: the Eagle Nebula’s Pillars of...
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WWW.NASA.GOV

This image from NASA's Spitzer Space Telescope shows the Tarantula Nebula in three wavelengths of infrared light, each represented by a...

 

 

 

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