Quelles sont les propriétés de la lumière ?
La lumière est une onde électromagnétique composée d’une infinité d’ondes électromagnétiques élémentaires caractérisées par leur longueur d’onde ou, plus simplement, leur couleur.
Source : https://www.wikiwand.com/fr/Spectre_visible#/Bibliographie
Cette composition est révélée quand on fait passer la lumière a travers un prisme (ou une goutte d’eau), ce qui, dans le cas de la lumière du soleil, crée un arc-en-ciel. L’ensemble des longueurs d’onde visibles par l’homme s’appelle le spectre de la lumière visible. Il s’étend d’environ 380 nm — que nous percevons comme du violet — a 700 nm — que nous percevons comme rouge.
Le spectre visible par l’œil ne représente qu’une infime partie des ondes électromagnétiques. Il existe des ondes de longueur d’onde beaucoup plus courtes (UV, rayons X, rayons gamma) ou beaucoup plus longues (infrarouge, ondes radios). Alors que l’astronome amateur ne travaille généralement qu’avec la lumière visible par l’œil, les astronomes professionnels utilisent toutes les longueurs d’ondes pour explorer l’univers.
L’œil
L’œil humain est un capteur, qui comporte 2 types de récepteurs : les cônes, et les bâtonnets.
Les cônes ont besoin de beaucoup de lumière pour fonctionner, et il en existe 3 types, qui sont respectivement réceptifs au Rouge, au Vert, et au bleu (RVB ou RGB en Anglais). En « mélangeant » ces 3 couleurs primaires, le cerveau va être capable de fabriquer, de reconstituer les couleurs :
(source : https://commons.wikimedia.org)
Les bâtonnets quant à eux, ont besoin de beaucoup moins de lumière, par contre, ils ne distinguent que les échelles de gris. Ils seront très importants pour la vision nocturne.
Les capteurs couleurs des APN et caméras :
En astrophotographie, on n’utilise pas l’œil, mais un capteur photosensible.
Ce capteur va reproduire l’effet de l’œil : sur chaque photosite (pixel), une couleur Rouge, Verte ou Bleu va être rajoutée (matrice RVB dite matrice de Bayer).
La Matrice de Bayer, c’est quoi ?
Le capteur est donc équipé de photosites (pixels), qui vont recevoir de la lumière (des photons) possédant certaines longueurs d’ondes. Ces pixels sont recouverts d’une matrice Bayer représentant les 3 couleurs primaires RVB.
La vision humaine étant plus sensible au vert, il va y avoir 50 % de capteurs plus sensibles au vert, 25 % au Rouge et 25 % au Bleu :
(source : Par en:User:Cburnett — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1496858)
A la fin de la pose photo, chaque pixel aura donc reçu une information sur la « quantité » de couleur primaire (soit Bleu, soit Vert, Soit Rouge). Par une opération de « débayérisation, ou dématricage » (interpolation par rapport aux autres sites voisins), le capteur renverra une photo couleur.
Il existe 4 types de matrices de Bayer. Celui présenté ci-dessus montre un motif « BGGR » (le carré représentant les 4 premiers motifs, en 2 x 2, en haut à gauche débutent par Blue (bleu), Green (vert), puis en dessous Green (vert) et Red (rouge).
Lors de ce traitement (par un logiciel type Siril, Prism, Pixinsight ou autre) il faudra bien renseigner la matrice de Bayer correspondant à son appareil.
Pour en savoir plus : un excellent travail de Master de Pierre Potonnier (ENS Louis Lumière, 2018) : « MATRICES DE FILTRES COLORÉS ET DÉMOSAÏQUAGE :UNE APPROCHE DE LA RESTITUTION DU DÉTAIL EN NUMÉRIQUE«
La tendance vers le Rouge des photos de Nébuleuses :
Les Nébuleuses en émission sont des régions riches en Hydrogène.
L’hydrogène est l’élément le plus simple, et le plus abondant de l’Univers. Il ne possède qu’un électron.
Cet électron peut se situer à différents niveaux d’énergie autour du noyau d’hydrogène (Modèle de Bohr). Quand cet électron passe du niveau 3 au niveau 2, cela s’appelle la transition « H-Alpha ». Elle s’accompagne de l’émission d’un photon à une longueur d’onde bien précise. Dans ce cas, cette longueur d’onde est de 656,3 nm (la « Raie H-alpha ») :
C’est cette transition qui se passe en majorité dans les régions riches en hydrogène. La longueur d’onde de 656 nm étant dans le rouge, les nébuleuses par émission sont donc bien rougeâtres. d’autres transitions ont lieu (H-Beta, séries de Lyman etc…), mais sont en moindre importance.
Un filtre « H-Alpha », qui va donc laisser passer uniquement les photons de longueur d’onde correspondant à 656 nm va être d’une très grande utilité pour regarder le soleil (par exemple une lunette type « lunt » ou un « coronado »).
Capteurs monochromes et filtres :
Plutôt que d’utiliser un capteur couleur, équipé d’une matrice de Bayer, on peut utiliser un capteur monochrome (sans matrice). Dans ce cas, pour obtenir une photo couleur, on va devoir prendre des poses avec différents filtres, puis assembler les brutes en assignant à chaque filtre une couleur lors du traitement.
La caméra est alors équipée d’une roue à filtres.
Filtres LRVB :
Ces filtres vont permettre de reproduire les couleurs vues par l’œil, en utilisant successivement :
– un filtre de Luminance (L) : il couvre l’ensemble du spectre visible
– les filtres R, V et B, qui vont couvrir le spectre correspondant à leurs couleurs :
source : Celestron.com (https://www.celestron.com/products/lrgb-imaging-filter-set-125in)
Filtres SHO :
Beaucoup d’autres éléments chimiques dans l’Univers vont voir leurs électrons effectuer des transitions entre niveaux d’énergie, et donc émettre à des longueurs d’ondes différentes. les plus intéressantes, après l’H-alpha, pour l’astrophotographe sont :
– le Soufre : transition SII à 672 nm
– l’Oxygène : transition OIII à 500 nm.
Certains astrophotographes utilisent ces filtres (« SHO ») pour traiter leurs photos en fausse couleur Hubble.
Les brutes sont prises avec des capteurs monochromes (sans matrice de Bayer), mais avec des filtres aux longueurs d’ondes désirées. L’assemblage va ensuite consister à assigner à une longueur d’onde, une couleur primaire correspondante.
Pour les couleurs Hubble, cela consiste en :
– raie H-alpha (Hydrogéne) : Vert
– raie O-III (Oxygène) : Bleu
– raie S-II (Soufre) : Rouge
Par exemple, la Nébuleuse de la Rosette, que j’ai prise avec une caméra ZWO-ASI071 couleur. Cette région est très riche en hydrogène, mais aussi en oxygène et en soufre, mais on ne les voit pas car les raies d’émission de ces éléments sont « noyées » dans le rouge dû à l’hydrogène :
La Nébuleuse de la Rosette dévoilera tous ses détails en « SHO », notamment les régions riches en oxygène et soufre :
Cette technique est très intéressante, car elle permet de montrer beaucoup plus de détails, mais elle est également plus onéreuse :
Il faudra acheter des filtres S, H, O, une roue à filtre, et il faut bien maitriser les pré-traitements.
Les filtres SHO sont plus ou moins chers, en fonction de la bande de longueur d’onde qu’ils vont laisser passer : par exemple un filtre H-alpha (et donc centré sur 656,3 nm) mais laissant passer +/- 35 nm autour de cette valeur coutera environ 80 euros, alors que le même filtre laissant passer +/- 4 nm coutera près de 250 euro.
