Réflexions sur la photographie astronomique à haute résolution

par Jean Dragesco

Introduction (I)

Le professeur Jean Dragesco, astrophotographe réputé et plusieurs fois lauréat de concours d'astrophotographie est président émérite de la Commission des surfaces planétaires de la Société Astronomique de France (SAF). Aussi, c'est avec un recul de plus de trente années d'expérience qu'il a accepté de nous donner ici son point de vue sur l'astrophotographie à haute résolution. Les paragraphes marqués (TL) ainsi que les illustrations et les liens sont des mises à jour personnelles, l'article original ayant été publié voici quelques années.

Deux parmi les meilleures images en haute résolution réalisées par Roland Christen de la société Astro-Physics. A gauche un compositage RGB de M42 réalisé à partir d'images CCD réalisées par des amateurs équipés de matériel Astro-Physics, à savoir le télescope Maksutov-Cassegrain de 250 mm f/14.6 de l'auteur pour le Trapèze, une lunette apochromatique de 180 mm f/7 EDF appartenant à Trent Kjell pour la vue générale et un télescope Maksutov-Newton de 235 mm f/4.3 muni d'un filtre H-alpha appartenant à Mark Jenkins pour enregistrer les étoiles à l'arrière-plan. A droite une image LRGB prise avec le télescope AP de 250 mm f/14.6 équipé d'une caméra CCD SBIG ST-10e et d'une roue à filtres CFW. Il s'agit du compositage de 51 images RGB exposées chacune 10 minutes et de 3 images de luminance exposées chacune 20 minutes. Ces deux documents illustrent ce que les amateurs peuvent réaliser de meilleurs lorsqu'ils utilisent aussi... le meilleur équipment !

Historique abrégé

Bien que ce ne soit pas le domaine le plus spectaculaire de l'astrophotographie, la "haute résolution" n'en reste pas moins l'un des plus difficiles et des plus fascinants. Encore faut-il s'entendre sur ce que l'on peut appeler haute résolution. Habituellement c'est par rapport à l'objet photographié que l'on défini une photographie dite à haute résolution : le but étant d'obtenir un cliché montrant les plus petits détails possibles sur un astre déterminé, compte tenu de sa distance à la Terre.

Dans ce domaine particulier de l'astrophotographie les progrès ont été lents et les résultats souvent décevants durant de nombreuses années.

C'est ainsi que vers 1920, la plupart des astronomes admettaient qu'on ne pouvait espérer photographier, avec un instrument donné, des détails plus fins que ceux que l'on pouvait observer visuellement avec une lunette ou un télescope dix fois plus petit (les meilleurs clichés du télescope de 2.5m du mont Wilson montraient des détails lunaires et planétaires facilement observables dans un instrument de 25 cm d'ouverture !). Les progrès, d'abord lents, se sont accélérés brusquement dans les dernières décennies. Les raisons en sont multiples : amélioration sensible des émulsions photographiques (grain plus fin et pouvoir résolvant plus élevé, allant de pair avec une importante augmentation de la sensibilité), lunette et télescopes plus parfaits et mieux adaptés à ce travail, techniques de prises de vue plus élaborées.

C'est ainsi que dès 1940-1944 la lunette de 60 cm du Pic-du-Midi, entre les mains habiles de MM.Lyot et Camichel, enregistrait sur la plaque sensible des détails atteignant une résolution de 0.4" environ, c'est-à-dire la résolution théorique d'un télescope deux fois plus petit seulement !

Bientôt toute une série d'observatoires obtinrent assez régulièrement des clichés dont la résolution variait de 0.4" à 0.7" environ, résolution assez indépendante de l'ouverture utilisée (qui allait à cette époque depuis le télescope de 30 cm de New Mexico au 2.5m du mont Wilson). Comparativement, les très grands télescopes, comme ceux de 3m de Lick et de 5m du mont Palomar n'ont apporté qu'une modeste contribution à cette course à la haute résolution. Car dans ce domaine on est, rappelons-le, limité sévèrement par la turbulence atmosphérique qui ne permet guère de dépasser une résolution de 0.3", quel que soit le diamètre de l'instrument utilisé.

Le problème est encore plus ardu lorsqu'il s'agit de photographie solaire où, comme nous l'avons déjà évoqué dans la page consacrée aux filtres interférentiels, la turbulence diurne étant très forte, elle ne permet que rarement d'atteindre une résolution photographique de 0.4". Rappelons ici que c'est toujours au Pic-du-Midi que J.Rosch et ses collaborateurs ont pu obtenir dès 1950-1956 des photographies exceptionnelles des taches solaires et des grains de riz.

Aussi, on s'est vite rendu compte que ce n'était que dans des sites tout à fait privilégiés que la résolution limite de 0.4" pouvait être régulièrement dépassée. C'est ainsi qu'à partir de 1960, aussi bien au Pic-du-Midi (T. 106 cm) qu'au Catalina Observatory (T.150 cm), la résolution photographique de 0.25" a pu être assez fréquemment obtenue (ce qui est encore loin de la résolution théorique du télescope de 1.5m mais excellente tout de même). Ce n'est que tout à fait exceptionnellement qu'on peut espérer atteindre une résolution de 0.15" (à titre d'exploit seulement) dans les meilleurs sites de haute altitude actuellement connus et avec des télescopes de 2m d'ouverture environ !

L'étude dynamique des phénomènes planétaires (surtout atmosphériques) ne pouvant se faire qu'à partir de nombreux documents, on ne peut guère espérer dépasser la résolution de 0.4" pour le travail de recherche habituel, résolution d'ailleurs largement suffisante pour la compréhension de la plupart des phénomènes.

Ce "mur de la résolution" a toutefois été franchit depuis que les professionnels tirent profit des techniques CCD et de compositage LRGB. Les photographes attachés aux observatoires sont en effet tout à fait capables de réaliser ce travail de longue haleine, rappelez-vous les travaux de William C.Miller au mont Palomar, David Malin à l'observatoire AAO d'Australie ou les photographies en haute résolution obtenues récemment aux télescopes Keck et Subaru installés à Hawaii (TL).

La haute résolution à l'heure spatiale

Devant la difficulté d'obtenir de bonnes images à partir des observatoires terrestres, on a pensé augmenter la résolution photographique en envoyant des télescopes à très haute altitude, grâce à des ballons stratosphériques. Après l'impulsion donnée par A.Dollfus, le Professeur Schwarzschild avec ses Stratoscopes a pu réussir quelques uns des plus fins clichés solaires jamais obtenus jusqu'alors (résolution de 0.2").

Par la suite la communauté scientifique a mis de grands espoirs dans les télescopes spatiaux mis en orbite pour ne citer que le Télescope Spatial Hubble (HST) placé à environ 400 km d'altitude et l'observatoire solaire SOHO placé à 1 million de kilomètre. Sans parler des découvertes quotidiennes, leurs images nous étonnent chaque jour par leur résolution comme on peut s'en rendre compte en consultant leur sites web respectifs, STSCI et SOHO. A titre d'information un télescope de 50 cm mis en orbite atteint une résolution de 0.03" !

Dans un avenir plus lointain de grands télescopes, installés sur le sol lunaire, devraient permettre d'aller plus loin encore, dépasser la 30^eme magnitude entre 200 et 400 nm et résoudre des détails de l'ordre du millième de seconde d'arc, 0.001", juste suffisant pour observer les planètes extrasolaires (TL)...

Entre-temps le problème de la photographie à haute résolution a été abordé d'une façon tout à fait différente; plutôt que d'essayer d'augmenter sans cesse les possibilités, forcément limitées d'énormes télescopes, placés à des millions de kilomètres des astres à étudier, il paru plus rentable d'envoyer de petits télescopes les photographier à bout portant, à partir de sondes spatiales. C'est ainsi que plus d'une centaine d'engins inhabités ont complètement bouleversé nos connaissances du système solaire en photographiant certaines régions avec une résolution  atteignant le millimètre au niveau du sol (sur la Lune et Mars). Dans un avenir plus ou moins lointain, les deux techniques d'avant-garde, sondes spatiales et grands télescopes spatiaux ou lunaires nous permettront d'approfondir encore notre connaissance des "terres du ciel" (qui seront bientôt mieux connues que bien des régions de notre propre planète).

Les observations terrestres continueront pourtant avec les observations de routines, à une résolution modérée, mais dont le coût plus faible permettra d'en multiplier le nombre, seul moyen pour suivre par le détail certains phénomènes atmosphériques.

Prochain chapitre

La haute résolution et l'amateur