Astronomie : la pratique

Voici donc une page dédiée à la pratique de l'astrophotographie, une page sans prétention particulière : je n'y apporte rien de bien nouveau... Puisée ici et là sur les forums d'astronomie, sur les pages perso d'astronomes amateurs, cette pratique s'est tout de même affûtée lors de toutes ces nuits passées sous les étoiles à tenter d'obtenir une bonne image....

Pour débuter l'astrophotographie, un appareil photo numérique ou argentique doté d'une pose B (Bulb), installé sur un trépied avec un objectif grand angle convient parfaitement pour réaliser des images esthétiques de filés d'étoiles. Cependant, pour imager le ciel profond, les planètes, la Lune ou le Soleil, un minimum de matériel et de savoir-faire s'imposent. Loin d'être un spécialiste du genre, et malgré la rigueur imposée par cette pratique, j'essaie avant tout de prendre du plaisir à faire ce que je fais, et de profiter pleinement de ces instants en compagnie des étoiles.

Procéder à une acquisition numérique satisfaisante résulte d'une sorte d'alchimie de l'instant : la convergence de nombreux paramètres sont nécessaires, tels qu'un imageur bien réglé et suffisamment mis en température, une mise en station correcte - garantie d'un bon suivi - une mise au point parfaite, mais aussi une faible turbulence atmosphérique, pas de bug informatique... et j'en passe. Certains éléments ne dépendent pas de nous, mais d'autres, au contraire, en dépendent... Aussi, une bonne connaissance de son matériel est donc indispensable pour parvenir à des résultats corrects.
Au final, les soirées consacrées à l'astrophotographie restent toujours d'excellents moments d'astronomie...

Pour de plus amples informations techniques sur le matériel évoqué ci-dessous, rendez-vous sur la Page Matériel

 

L'acquisition des images à la webcam

• La préparation
La séance de prise de vue débute par la mise en température du matériel. Le télescope est ensuite vérifié et collimaté sur des étoiles, de préférence situées à proximité de l'objet à imager. L'alignement des optiques de l'instrument est déterminant pour la qualité finale des acquisitions. Imaginons un guitariste jouant sur un instrument désaccordé... Sa musique sonnerait faux malgré la plus grande virtuosité déployée. De même, un instrument mal réglé ne délivrera que des images de qualités moyennes. Loin d'être un virtuose de la collimation, j'y apporte néanmoins le plus grand soin. Malgré cela, du fait de la turbulence atmosphérique, il est cependant difficile d'obtenir la figure d'Airy tant convoitée.
• Dans un premier temps, le centrage de l'ombre du miroir secondaire est réalisé sur une étoile brillante défocalisée (mag. 1,5), avec une lentille de Barlow et un oculaire de 25mm pour commencer. Ensuite, le réglage est affiné sur une étoile moins brillante (mag. 2,5)  avec un oculaire de 12,5mm et enfin, si les conditions le permettent, avec un oculaire de 6,4 mm pour apercevoir la figure d'Airy. Une fois la webcam installée sur l'instrument, je n'hésite pas à (re)contrôler la collimation avant d'imager.

• Les différentes techniques
3 méthodes sont mises en œuvre pour l'acquisition des images:  la projection oculaire, la projection par lentille de Barlow ou directement au foyer de l'instrument.

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Projection oculaire :
L'adaptateur est en Duralumin, et a été tourné en tachant de supprimer toute la matière inutile pour l'alléger au maximum. Il permet d'installer, d'un côté, une webcam au coulant 31,75mm ( Toucam ou PL1m) et de l'autre côté, un oculaire Meade de la série 4000 d'un diamètre extérieur de 33mm. La webcam est équipée d'un filtre anti-infrarouge (Baader IR/UV).
• Avec un Meade de 12,5mm de focale, le grandissement obtenu avec la PL1m + un tirage de 55mm est de x3.4, portant le rapport F/D à 34; celui de la Toucam + un tirage de 60mm est de x3.8, pour un rapport F/D de 38.
(d'après la formule: G = D/F (Oc) - 1. avec D = distance entre l'oculaire et le capteur de la webcam et F (Oc) = focale de l'oculaire).

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Projection par lentille de Barlow :
J'utilise ce montage pour l'imagerie lunaire, planétaire et solaire avec les barlows Televue.
• Pour les images lunaires, j'avais une préférence pour le duo Pl1m - capteur de 1280 x 1024 pixels  - et Televue Powermate x2.5 complété d'un filtre Astronomik ProPlanet IR 742nm vissé sur le raccord de la webcam avant l'achat de la webcam ZWO ASI 178MM. J'utilise à présent cette dernière équipée d'un filtre rouge ou d'un IR 742nm pour les images de la Lune au foyer du C8. Cette webcam offre des possibilités intéressantes du fait de sa sensibilité élévée, de sa rapidité d'acquisition (plus de 60 images/s en pleine résolution), de la taille des images fournies par son capteur NB 1/1.8" de 3096 x 2080 pixels. En revanche, la taille des ces pixels (2,74 µm) limitent son utilisation avec les lentilles de Barlow, l'échantillonnage devenant trop important (par exemple, avec une barlow x2, il est de 0.12" d'arc / pixel). Malgré son capteur couleur, j'ai utilisé la webcam ZWO ASI 224MC pour l'imagerie lunaire avec le filtre Baader IR Blocking. Les résultats étaient plutôt satisfaisants, malgré la forte turbulende présente ce soir-là. Je ferai dès que possible un essai avec un filtre IR 742nm.
• Pour les images planétaires, j'utilise la Pla-mx avec la roue à filtres équipée de filtres Astrodon LRVB de la E-Series ou la ZWO ASI 224MC, plus simple à mettre en œuvre, munie d'un filtre Baader IR Blocking et le CDA ZWO. La barlow est choisie selon les conditions de turbulence atmosphérique. Pour le Soleil, le télescope est équipé d'un filtre Astrosolar de densité 3.8 placé à l'ouverture et la webcam d'un filtre Baader Continuum avec un filtre IR/UV avec l'une ou l'autre des webcams mentionnées ci-dessus.
L'étalonnage des barlows reste à faire selon la méthode décrite par Thierry Legault (cf. la page de Thierry Legault Comment ajuster la focale de l'instrument ? ).

Les images au foyer :
D'une mise en oeuvre vraiment simple, le montage d'une webcam au foyer permet de saisir des champs larges de la Lune et du Soleil, d'imager une planète accompagnée de ses satellites comme Jupiter ou Saturne.

• À propos de l'échantillonnage

televue-powermate-jupm A partir d'images de Jupiter réalisées avec le telescope C8, la webcam Pla-mx et la roue à filtres, j'ai calculé la focale résultante obtenue lors de l'utilisation de mes trois barlows Televue.
Les éléments à connaître pour établir le calcul sont le diamètre en pixels de la planète, la taille des pixels ou photosites du capteur CCD en μm et le diamètre apparent de la planète en seconde d'arc. Ainsi, pour une image de Jupiter obtenue avec la barlow Televue Powermate x 2.5, je trouve une focale résultante de 4 013.74 mm avec un coefficient multiplicateur de 2.01. L'échantillonnage est de 0,29" d'arc / pixel. (voir détail calculs). Sachant que le pouvoir de résolution théorique du C8 est 120 / D soit 0.6" d'arc et qu'il est recommandé, pour de bonnes acquisitions, de travailler à la moitié du pouvoir séparateur donc 0.6 "d'arc / 2 soit 0.3" d'arc, l'échantillonnage de 0.29" d'arc / pixel obtenu avec cette barlow est plutôt correct. Le coefficient multiplicateur de la Powermate est en dessous des 2.5 annoncé, mais cela reste cohérent avec les courbes de grandissement données par le constructeur.

televue-jupm Concernant la Barlow Televue x2, la focale résultante obtenue est de 5 375.02 mm, avec un coefficient multiplicateur de 2.69. L'échantillonnage est de 0,21" d'arc / pixel (voir détail calculs). A priori, l'utilisation de cette barlow x2 sur-échantillonne légèrement les images, en dessous des 0.3" d'arc recommandées. En réalité, je trouve que les résultats sont plutôt corrects lors des acquisitions avec cette dernière. Et lorsque la turbulence atmosphérique est faible, la qualité des images visionnées à l'écran de l'ordinateur est même flatteuse...

televue-jupm En revanche, le calcul réalisé avec la barlow Televue x3 indique clairement que l'image est sur-échantillonnée. En effet, la focale résultante est de 8 588.85 mm avec un échantillonage de 0.13" d'arc / pixel (voir détail calculs). L'image de la planète est beaucoup plus grande sur la capteur CCD, ce qui peut, a priori, séduire, mais au final, les détails sont empâtés et la finesse globale de la planète vraiment moyenne (voir les images de Jupiter).
Pour conclure cette incursion dans le calcul optique, domaine que je n'ai jamais vraiment maitrisé mais si riche d'enseignement, l'utilisation d'une vraie barlow x2 semble plus pertinente pour l'acquisition des images planétaires avec le C8. Finalement, le temps me manque pour faire des essais comparatifs entre ces différentes webcams et montages optiques.

Les logiciels d'acquisition, de traitement des images webcam

tech2m Les captures Avi de la Toucam 740 - au format 640x480 pixels - sont réalisées à l'aide du logiciel Iris de Christian Buil. J'ai rapidement adopté les macros proposées par Etienne Bonduelle permettant d'accéder au mode raw de la webcam. Cette dernière est pilotée, pour les réglages de gain et de vitesse d'obturation, avec WcCtrl le soft de Martin Burri. A noter que l'image est en noir et blanc lors de l'acquisition avec Iris. Les films sont ensuite décodés avec le soft AviRaw de Carsten A. Arnholm, un premier tri des meilleures images étant effectué à cette étape.

qgvideom Avec la PL1m, dotée d'un capteur 1/2" permettant des acquisitions en pleine résolution d'une dimension de 1280x1024 pixels au format SER, j'utilise le logiciel de capture QGVideo développé par Astrosoft et livré avec la webcam. Plusieurs autres formats d'enregistrement sont disponibles (BMP, AVI et FIT). Pour l'acquisition de spectres avec le Star Analyser, j'utilise justement le format FIT qui malheureusement ne renseigne pas correctement les entêtes des fichiers enregistrés (voir page Spectro). Autre souci que je n'ai pas réussi à régler, la Pl1m surexpose certaines images lors des acquisitions (flashs réguliers et imprévisibles).

plx-capturem La Pla-mx est utilisée avec le logiciel Plx-Capture développé par I-Nova et livré avec la caméra. Il permet des captures en 640 x 480 pixels au format SER , mais également aux formats BMP, RAW et FITS, gère le pilotage de la roue à filtre via Ascom V5, et, en outre, sauvegarde lors de chaque film un fichier texte décrivant les caractérisques d'acquisition. Un utilitaire de conversion de fichiers, Batch Processing, est également disponible avec le pack logiciel, bien pratique pour convertir un fichier SER en une série d'images FIT intégrables dans Iris.
Il m'a parfois poser quelques problèmes de bugs intempestifs avec Windows 7, qui nécessitaient le redémarrage de logiciel.

firecapturem Les webcams ZWO ASI 178MM et 224MC sont utilisées avec le logiciel Firecapture, developpé par Torsten Edelmann, un astronome amateur allemand. FireCapture propose de nombreuses fonctionnalités que je ne saurais détailler ici. J'utilise principalement le fenêtrage des images (ROI) qui se fait d'un simple encadrement avec la souris de l'ordinateur, de la gestion de la roue à filtres pour la webcam NB et de l'assistant de réglage du CDA pour la webcam couleur. Lors des acquisitions avec cette dernière, je décoche l'option Débayerisation, qui permet de visualiser les images en couleur, pour enregistrer les fichiers en RAW, et ainsi alléger le poids de ces derniers. J'enregistre les fichiers au format SER, d'une durée de 60s généralement, sur un disque SSD externe connecté à un port USB 3.1.

Lors de l'acquisition, je veille particulièrement au réglage du gain lequel, trop poussé, fait apparaître immanquablement du bruit sur les images. Je n'hésite pas à varier le temps d'exposition et à contrôler le résultat en live en traitant, avec Registax, un petit film d'une centaine d'images.
En fonction de la turbulence et de la qualité des images visualisées sur l'écran de l'ordinateur, je réalise des captures de 1000 à 3 000 images par film avec l'une ou l'autre des caméras. Avec la Pla-mx et sa cadence d'acquisition élevée, j'enregistre parfois près de 10 000 images. Pour Jupiter cependant, dont la rotation est très rapide, je limite les acquisitions à 60s / couche pour préserver la restitution de fins détails.
La registration et l'empilement des images retenues (souvent à la suite d'un tri manuel pour ne garder que les meilleures images) sont réalisés, au choix, avec les logiciels Iris, Registax, Avistack ou AutoStakkert. Pour les dernières retouches et la finalisation de l'image, j'utilise un logiciel de traitement d'images tel que Photoshop ou Gimp.
L'un des points névralgiques de la chaine d'acquisition est certainement la mise au point de l'objet imagé. L'utilisation du porte-oculaire Crayford Starway 10:1 permet justement d'affiner au mieux cette dernière.

L'acquisition des images du ciel profond

Pour réaliser des images du ciel profond, je dois me nomadiser , loin de mon jardin citadin inondé de démesure urbaine. Même si la proximité de la ville et de sa pollution lumineuse me permet, tout de même, l'imagerie des planètes, de la Lune et du Soleil à domicile, je n'hésite pas à m'éloigner d'une trentaine de kilomètres, pour profiter à la fois d'un ciel de meilleure qualité et d'un horizon dégagé. C'est au cours de cette recherche d'un ciel propre que j'ai rencontré d'autres astrams, passionnés d'astronomie qui observaient régulièrement dans un lieu bien plus propice, à l'extérieur de la banlieue bordelaise. Ensemble, nous avons finalement créé Astronomie Gironde 33 (AG33). Après la quête d'un ciel propre, la nécessité du kit nomade s'est imposée : de bonnes batteries, des alimentations fiables, de la bière et du café, sans parler des vêtements chauds pour l'hiver et de la lotion anti-moustiques pour l'été...
J'essaie en général d'arriver une heure avant le coucher du soleil, le temps d'installer le matériel. Suivant le choix de l'objet à imager avec le Canon 40D , j'utilise soit le télescope C8 avec un réducteur/correcteur Celestron x0,63 (focale de 1 260mm) pour un champ photographique d'environ 60' x 40', soit la lunette SkyWatcher 80ED avec un réducteur x0,8 William Optics Flattener II (focale de 480mm) pour un champ photographique d'environ 2,65° x 1,77°.

montage-ccdm Depuis juillet 2012, les images du ciel profond sont réalisées avec le C8 et une CCD Atik 314L montée sur un ensemble composé d'un réducteur de focale Celestron x0.63, d'un diviseur optique Celestron et d'une roue à filtre Brighstar. Le tirage de l'ensemble est de 150mm, ce qui peut paraître excessif. La webcam Pl1m est montée sur le diviseur optique pour effectuer l'autoguidage. Celui-ci est assuré par le logiciel Guidemaster ou PHD Guiding via le port ST4 de la monture ou parfois via le logiciel EqMod pour bénéficier des réglages pulse-guide dont ce dernier dispose (avec suppression d'un câble de liaison caméra / monture). L'autoguidage par diviseur optique limite d'éventuels risques de flexion liés au montage d'une lunette-guide en parallèle. Cependant, la recherche d'une étoile-guide s'avère plus difficile qu'avec un autoguider en parallèle. Avec l'Atik, j'utilise également la lunette SkyWatcher 80ED, un chercheur Orion de 50mm assurant l'autoguidage de la monture. La roue à filtre est alors vissée sur le pas M42 du réducteur William Optics. Avec ce montage, la CCD n'est utilisée qu'en binning x1, même pour les couleurs, le sous-échantillonnage de l'ensemble entraînant des étoiles fortement carrées en binning x2.

Voici ma check-list d'imageur itinérant :

  1. Mise en station de la monture avec EqMod
  2. Montage et mise en température du matériel
  3. Réglage chercheur et lunette-guide
  4. Recherche, mise au point et cadrage de l'objet à imager
  5. Recherche d'une étoile-guide, calibrage et mise en route de l'autoguidage
  6. Pose test de 1 à 2 minutes pour vérification cadrage, netteté, qualité de l'autoguidage
  7. Mise en route des poses avec vérification de la mise au point toutes les 5 poses
  8. En fin de session: séance flats, offsets et darks avec l'APN et séance flats avec la CCD

La durée des poses que je pratique varie selon l'objet imagé, le type de filtre utilisé, le lieu de prises de vue et la qualité du seeing. Par exemple, avec l'Atik 314L, cette durée peut varier de 10 à 15mn pour le Hα, jusqu'à 10mn pour le filtre luminance et de 3 à 5mn pour les filtres couleurs en binning x2. Avec le Canon 40D Baader, je faisais généralement des poses de 7mn.
Pour le détail des différentes parties de l'acquisition avec un appareil photo numérique (offset, flat et dark), je vous invite à consulter le site de Christian Buil, papa d'Iris, où vous trouverez toutes les informations utiles à la compréhension du processus de traitement (cf. La page concernant le traitement des images des APN )..

Pour conclure, voici une liste non exhaustive d'ouvrages pour approfondir la technique d'acquisition des images numériques :

Astrophotographie
Thierry Legault - Editions Eyrolles 2006  (2 ème édition en 2013)  - ISBN 2-212-11472-9
Photographier le ciel
Jean-Luc Dauvergne - Editions Delachaux et Niestlé 2008 - ISBN 978-2-603-01544-5
Photographier le ciel en numérique
Patrick Lécureuil - Editions Vuibert réd. 2010 - ISBN 978-2-311-00218-8