Fans son orbite à un million de kilomètres de la Terre, le télescope spatial James Webb, désormais opérationnel, a enfin renvoyé ses premières images, dont une vue en profondeur de milliers de galaxies, qui brillent comme des joyaux à des milliards d’années-lumière. Mais aussi étonnantes que soient ces images, elles ne seraient rien d’autre qu’un ensemble de pixels noirs si elles ne passaient pas par le bâtiment Steven Muller, une modeste structure en briques kaki nichée dans les arbres du campus Johns Hopkins de Baltimore, dans le Maryland.
Peu d’éléments permanents indiquent au passant occasionnel que le bâtiment est le siège de l’Institut scientifique des télescopes spatiaux (STScI), bien qu’une bannière bleue et or accrochée au-dessus de l’entrée principale et proclamant “Go, Webb, Go !” constitue un indice évident. Le STScI a commencé à exploiter le télescope spatial Hubble pour le compte de la Nasa et des scientifiques en 1990, et la mission de l’institution s’est maintenant étendue à Webb. Les contrôleurs du STScI ont aidé à guider le nouveau télescope spatial tout au long du processus de déploiement et de mise en service et, début juin, ils ont commencé à prendre les premières images avec le grand télescope doré.
Et ces images n’apparaissent pas par magie avec des couleurs brillantes et une luminosité équilibrée. Les données brutes capturées par Webb doivent être traitées, débarrassées des artefacts et colorisées par les spécialistes du STScI qui travaillent en coulisse pour traiter toutes les images Webb diffusées à la presse au cours des années où le télescope fait de la science. Et il s’agit à bien des égards d’un processus artistique autant que technique.
La lumière
Le 24 juin, environ deux semaines avant la diffusion des premières images du télescope Webb au public, Joseph DePasquale et Alyssa Pagan, développeurs de visuels scientifiques, étaient assis dans leur bureau commun, entourés de grands écrans d’ordinateur, pour montrer comment ils traitaient les toutes premières images du télescope Webb renvoyées sur Terre. D’un simple clic de souris, M. DePasquale a pris la première image du champ profond de Webb, un ensemble de joyaux brillants, en fait des milliers de galaxies incroyablement lointaines, et a renvoyé l’image telle qu’elle lui était parvenue : un écran noir.
“Les valeurs des pixels sont essentiellement sombres, parce que le ciel est essentiellement sombre, et seules les régions les plus brillantes apparaissent au premier coup d’œil”, a-t-il déclaré. La tâche de M. DePasquale et de Mme Pagans consiste à utiliser une suite de logiciels pour augmenter la luminosité de l’image afin de permettre aux gens de voir les détails les plus sombres, sans pour autant effacer les régions claires. “Toutes ces informations sont cachées ici, parce que c’est vraiment très faible.”
Le spectre de Webb pour l’exoplanète Wasp-96b, le spectre d’exoplanète le plus détaillé jamais réalisé, montre de multiples caractéristiques de vapeur d’eau.
(Nasa)
En quelques clics de plus sur le clavier, M. DePasquale augmente la luminosité dans un processus connu sous le nom de “mise à l’échelle” des données, révélant une version en niveaux de gris du champ profond de Webb. L’ajout de la couleur interviendra plus tard, mais il faudra attendre que M. DePasquale résolve un autre problème lié à la mise à l’échelle de l’image pour qu’elle soit suffisamment claire pour être vue.
“Les étoiles brillantes de Webb auront tendance à saturer jusqu’au point où le détecteur ne vous donnera plus d’informations valables”, a déclaré M. DePasquale. “Lorsque cela passe dans le pipeline, vous finissez par obtenir un trou noir au centre d’une étoile brillante”.
Cet effet peut être observé dans l’image Webb publiée le 6 juillet en avant-première, un champ d’étoiles de couleur orange capturé par l’instrument de guidage du télescope spatial. Au centre des étoiles brillantes et hérissées se trouvent des cercles noirs ressemblant à des trous brûlés dans un négatif de film.
“Nous étions en train de transpirer alors que nous nous rapprochions de plus en plus de l’instrument de guidage du télescope spatial. [Webb image release] M. DePasquale a déclaré qu’il avait finalement trouvé un script informatique qui remplissait les trous noirs avec les valeurs des pixels voisins. Il s’agit du type de solution novatrice nécessaire pour les données Webb, ajoute-t-il, car contrairement au flux de travail habituel pour le développement d’images à partir des données Hubble, avec Webb “le processus est en quelque sorte en évolution en ce moment car tout est nouveau”.
Quel Webb en premier ?
L’image du champ profond de Webb était la première des cinq images sélectionnées par le STScI et la Nasa pour montrer les résultats tangibles des plus de 20 ans et 10 milliards de dollars qu’il a fallu pour concevoir, développer, construire, tester, lancer, déployer, configurer et mettre en service le télescope le plus sophistiqué jamais construit. Le président américain Joe Biden a présenté en avant-première l’image du champ profond depuis la Maison Blanche le 11 juillet, tandis que les quatre autres images ont été révélées le lendemain matin sur le site Web de la Nasa. L’ensemble complet d’images comprend le champ profond, le spectre, ou modèle de lumière filtrée à travers l’atmosphère de l’exoplanète Wasp 96 b, et des images de la nébuleuse de Carina, laLa nébuleuse de l’anneau austral, et le quintette de Stephan, une collection de cinq galaxies enfermées dans une danse gravitationnelle serrée.
Mais au 24 juin, les images que le public verra en premier, et leur aspect exact, étaient encore sujettes à discussion.
“La charte que nous avons est de démontrer au monde que l’observatoire est prêt à faire de la science, de célébrer le fait qu’il est prêt à faire de la science”, a déclaré Klaus Pontoppidan, astronome associé au STScI. Il faisait partie de la douzaine de personnes présentes dans une petite salle de conférence le 24 juin pour discuter des images qui seront diffusées au public.
“Presque personne d’autre dans ce bâtiment ou même à la NASA n’a vu cela”, a ajouté le Dr Pontoppidan. “Il n’y a que cette pièce”.
Le petit groupe s’était réuni la plupart des matins pendant tout le mois pour discuter des dernières images et traitées par M. DePasquale et Mme Pagan et affichées sur un énorme moniteur suspendu au mur. Le 24 juin, la discussion a porté sur la version de l’image de la nébuleuse de Carina qui serait rendue publique, une image prise avec l’instrument proche infrarouge de Webb, NIRcam, ou son instrument moyen infrarouge, MIRI.
Webb a capturé des images de la nébuleuse de l’Anneau Austral en lumière proche infrarouge (à gauche) et infrarouge moyen (à droite).
(NASA, ESA, CSA, STScI, et L’E)
Alors que l’image NIRCam mettait en évidence les nuages de poussière oranges et dorés, MIRI regardait à travers la poussière pour révéler plus d’étoiles, mais avec les nuages de gaz apparaissant en nuances de bleu grisâtre sur un “ciel” rouge, une esthétique controversée.
“Pour moi, le bleu grisâtre, tel qu’il apparaît sur l’image MIRI, n’est pas attrayant “, a été l’un des nombreux commentaires qui se sont chevauchés dans la salle.
Mais il y avait une troisième option présentée par M. DePasquale et Mme Pagan – une combinaison des images NIRCam et MIRI, un mélange de perspectives préservant le contraste de l’image MIRI tout en superposant les nombreux détails et les couleurs étonnantes de l’image NIRCam.
“C’est comme le meilleur des deux mondes”, a déclaré Mme Pagan.
Le groupe a finalement opté pour l’image combinée de Carina, qui est ce que le public a vu le 12 juillet.
Coordination des couleurs
Mais la création de l’image de Carina met en évidence une autre façon dont la création d’images visibles à partir des données de Webb est un processus créatif en soi, en particulier en ce qui concerne le processus de coloration.
Revenons au fait que la plupart des images brutes de Webb sont essentiellement vierges pour l’œil humain. Les objets lointains qu’elles représentent sont dans de nombreux cas incroyablement faibles, trop faibles pour être enregistrés par les cellules coniques de perception des couleurs de l’œil humain. C’est souvent le cas, même avec des observations astronomiques moins exotiques.
“Regardez dans un télescope une planète comme Jupiter ou Saturne, et elle semble presque en noir et blanc, parce que la lumière est si faible qu’elle n’active que les bâtonnets dans vos yeux et non les cônes”, a déclaré M. DePasquale. “Vous ne recevez pas vraiment d’informations sur les couleurs.”
Dans le cas de Webb, il faut ajouter à cela le fait que le télescope ne voit que dans l’infrarouge, des longueurs d’onde de lumière trop longues pour que les yeux humains puissent les voir, quelle que soit la luminosité. Pour rendre les images de Webb visibles, Mme Pagan et M. DePasquale doivent donc transposer les fréquences de la lumière invisible pour les yeux humains dans la partie visible du spectre.
“Les télescopes sont conçus avec des filtres pour séparer les différentes couleurs, puis nous attribuons ces couleurs de manière chromatique”, a-t-il déclaré. “Les plus courtes longueurs d’onde de la lumière sont attribuées aux couleurs bleues, puis on passe du bleu au vert et au rouge en augmentant la longueur d’onde.”
C’est un système qui a bien fonctionné avec Hubble, qui ne voyait que dans le proche infrarouge, et qui semble jusqu’à présent bien fonctionner pour la NIRCam de Webb, selon Mme Pagan.
Le quintette de Stefan, une collection visuelle de cinq galaxies lointaines, était l’une des premières images en couleur du télescope Webb.
(Nasa)
“Mais lorsque nous passons à l’infrarouge moyen avec MIRI, ce que nous obtenons est très différent, ce qui constitue un défi”, a-t-elle ajouté. Pour éviter les combinaisons de couleurs criardes comme l’image MIRI de Carina, ils ont dû faire preuve d’un peu de créativité avec la cartographie des couleurs, “de sorte que cela pourrait être rouge, orange et cyan” plutôt que rouge, vert et bleu.
Le processus pourrait être entièrement différent pour les scientifiques qui utilisent Webb pour étudier un aspect particulier d’un objet lointain, a noté Mme Pagan. Plutôt que d’essayer de transposer des longueurs d’onde non visuelles de la lumière dans le spectre visible d’une manière qui ait un sens visuel, un chercheur pourrait demander une mise en évidence des couleurs en fonction d’un phénomène d’intérêt, comme des nuages de gaz organiques. Les chercheurs peuvent également faire appel aux services de leur bureau lorsqu’ils publient les résultats de leurs recherches auprès de Webb.
“Il y a une page web pour que les scientifiques soumettent leurs résultats de recherche à Webb.des propositions pour un communiqué de presse”, a déclaré M. DePasquale. “Ils peuvent passer par cette voie, contacter le bureau de presse ici, et ensuite nous déterminerons si cela mérite vraiment d’être publié. Si c’est le cas, alors il nous revient de traiter les données.”
Le traitement peut représenter beaucoup de travail, surtout avec Webb – le développement de l’image de la nébuleuse de Carina a pris 16 heures – et Mme Pagan et M. DePasquale ont travaillé pendant les week-ends qui ont précédé la publication des premières images de Webb. Mais le travail est également si captivant qu’ils auraient traité les nouvelles images même sans l’urgence d’une diffusion publique imminente.
“Le premier ensemble de données est arrivé un samedi matin, et j’ai dû me rendre à Philadelphie pour une fête de famille”, a déclaré M. DePasquale. “Je suis à la fête. Et je me suis dit, ‘Je veux juste travailler sur cette image’.”
