Amas Coma (Abell 1656)

 

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Résumé

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L’objet

Le printemps est résolument la saison des galaxies ! Avec quasiment aucune grande nébuleuse par émission à se mettre sous la dent, les astrophotographes (quel que soit leur setup) se tournent alors vers les beaux « Univers-îles » visibles tout au long de la nuit, en particulier dans les constellations du Lion, de la Vierge, et de la Chevelure de Bérénice (sans oublier les très belles galaxies visibles dans la Grande Ourse et ses environs…).

Et si, au lieu de réaliser la énième version d’une galaxie bien connue (M81, M106, M51, M64, le trio du Lion, etc.), vous tourniez votre capteur vers des objets moins prisés ? Si vous avez envie de sortir des sentiers battus, l’amas Coma peut constituer une cible intéressante… à condition d’accepter de relever un défi un peu plus relevé ! 🙂

De prime abord, l’amas Coma peut sembler bien moins impressionnant que beaucoup d’autres objets, voire un peu déceptif en terme de rendu photographique pour les astrams débutants : beaucoup de petites taches floues, sans grand détails et assez uniformément colorées… On est loin de la beauté visuelle offerte par d’autres galaxies présentes aux alentours, ce qui refroidit les ardeurs de beaucoup.

Et pourtant… si l’on s’attarde un peu sur cet objet, celui-ci peut rapidement donner le vertige !

Il s’agit en effet d’un amas de galaxies, situé à environ 330 millions d’années-lumière, regroupant plus de 1 000 galaxies identifiées (et certainement beaucoup plus…) dans un volume de 10 millions d’années-lumière de diamètre. A titre de comparaison, dans un volume identique autour de notre Voie Lactée, on dénombre seulement un peu plus d’une centaine de galaxies ! Et encore, les galaxies principales qui composent cet amas ne sont guère comparables à la nôtre : les deux galaxies elliptiques géantes NGC 4874 et NGC 4889, situées au centre de l’amas, sont chacune environ 10 fois plus grandes que notre Voie Lactée et comptent plus de 30 000 amas globulaires ainsi que de nombreuses galaxies satellites.

A titre d’exemple, la galaxie NGC 4889 montre en lumière visible un diamètre de 300 000 années-lumière, soit le triple de notre Galaxie. Mais si l’on tient compte du halo de gaz et d’étoiles qui l’entoure, le diamètre de cette dernière dépasse le million d’années-lumière, soit la moitié de la distance qui nous sépare de la Galaxie d’Andromède ! Sans surprise, cette galaxie est bien plus massive que notre Voie Lactée, et renferme en son centre l’un des trous noirs supermassifs les plus massifs connus (37 milliards de masses solaires, soit près de 1000 fois plus massif que le trou noir de notre Galaxie…).

En raison de la grande densité de l’amas, les galaxies ont quasiment toutes interagi les unes avec les autres, et un grand nombre de collisions ont eu lieu entre elles. Pour cette raison, on dénombre essentiellement dans l’amas Coma (comme dans les autres amas de ce type) des galaxies elliptiques, sans structure clairement marquée. En comparaison, très peu de galaxies spirales (n’ayant donc pas subies d’interactions fortes par le passé avec d’autres galaxies) sont visibles.

La galaxie NGC 4921 (la plus grande galaxie spirale visible sur l’image) constitue cependant une exception notable… mais son destin semble inéluctable : les astronomes ont en effet mesuré que une importante vitesse de déplacement en direction de l’amas, ce qui devrait la conduire à fusionner avec d’autres galaxies dans un avenir lointain.

Les premiers effets de ces interactions sont d’ores et déjà visibles, les astronomes ayant constaté que cette galaxie présente un déficit anormal en gaz (sans doute perdu en raison de la grande vitesse de la galaxie ou d’interactions antérieures).

Malgré ces caractéristiques impressionnantes, l’amas Coma ne constitue qu’une partie du « super-amas de la Chevelure de Bérénice », le super-amas le plus proche de nous et comptant plus de 30 000 galaxies.

Précisons enfin que, compte-tenu de sa distance, ces galaxies de cet amas s’éloignent de nous à la vitesse de 7000 km par seconde !

Cet amas a joué un rôle important de l’histoire de la cosmologie, puisque c’est en l’étudiant et en essayant de déterminer sa masse que l’astronome Fritz Zwicky a pour la première fois, dans les années 1930, émis l’hypothèse d’une « matière noire » qui permettrait de rendre compte des grandes différences observées entre la vitesse des galaxies et la masse de la matière « visible ». Oubliée pendant près de 40 ans, cette idée sera réutilisée sous une forme modernisée dans les années 1970 par l’astronome Vera Rubin, sur la base d’observations plus nombreuses et plus précises.

L’hypothèse de la matière noire résulte d’un fait observationnel simple : lorsqu’on essaie de déterminer la masse d’un amas de galaxie, on trouve une différence importante entre la masse calculée pour rendre compte des observations des vitesses des galaxies et la masse calculée sur la base de la luminosité observée (en masses solaires).

Dans le cas de l’amas Coma, Zwicky avait ainsi estimé que la différence était d’un facteur 100 (!). Malgré cette différence énorme, les mesures étaient à l’époque trop incertaines pour pouvoir être interprétées de manière fiable. Vera Rubin se basera plus tard sur la vitesse de rotation des galaxies pour parvenir à la même conclusion.

La nature exacte de cette « matière noire » ou plutôt « invisible » – qui représenterait tout de même 27% de la densité d’énergie totale de l’Univers observable – demeure encore un mystère et constitue l’un des sujets d’étude les plus essentiels de l’astrophysique et de la cosmologie actuelle : naines brunes, trous noirs, particules massives, matière non-baryonique… les hypothèses ne manquent pas pour expliquer ce « déficit de masse » observé dans l’Univers…

La masse de plus de 1000 galaxies (dont beaucoup d’elliptiques géantes) contenues dans un espace aussi réduit constitue une énorme concentration de matière, qui donne lieu à des phénomènes impressionnants. On sait, grâce à la théorie de la relativité générale formulée par Einstein en 1915, que la masse entraîne une déformation de l’espace-temps : plus un objet est massif et dense, plus cette déformation est importante (le cas extrême étant les trous noirs, où l’espace-temps est comme replié sur lui-même au niveau de la singularité centrale).

Dans le cas de l’amas Coma, la concentration de matière est telle que les rayons lumineux sont déviés à son approche : l’amas joue alors un rôle similaire à une lentille optique convective et créé des « mirages gravitationnels ». Des objets situés derrière l’amas, et à des distances beaucoup plus grandes, sont ainsi visibles sous une forme déformée et dédoublée ; leur luminosité étant augmentée au passage en raison de la concentration de la lumière.

Ce phénomène de « lentilles gravitationnelles » par des amas de galaxies, également prédit par Fritz Zwicky en 1937, a été observé pour la première fois à la fin des années 1980 ! A noter que l’étude de ces mirages gravitationnels permet également de mieux tracer et estimer la quantité de « matière noire » au sein des amas. De tels phénomènes ont été découverts dans l’amas Coma ; mais demeurent faibles, ce qui rend malheureusement leur observation interdite aux amateurs…

Si nous regardons de nouveau l’image de l’amas Coma, en gardant en tête ces différentes informations et en réalisant désormais que l’image contient en réalité plus de galaxies que d’étoiles, celle-ci prend une autre dimension et devrait vous convaincre de lui consacrer un peu d’attention lors de vos prochaines sessions d’observation ! 🙂

 

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L’image présentée

L’image présentée ici a été réalisée avec une lunette TSA-102, équipée d’un réducteur de focale (f/6) et une caméra CCD AtikOne 6.0.

Malgré le champ réduit offert par le capteur, qui est plutôt en adéquation avec les dimensions apparentes de l’amas, cette configuration est loin d’être idéale pour photographier ce dernier dans les meilleurs conditions. En effet, les galaxies les plus brillantes ne dépassent pas la magnitude 13 ; aussi un instrument de plus grand diamètre et plus ouvert aurait été plus adapté.

De même, à 600mm de focale, le niveau de détails reste limité. Bien l’amas soit en grande majorité constitué de galaxies elliptiques, et donc présentant en tout état de cause peu de détails de surface, certaines auraient toutefois mérité un échantillonnage un peu plus faible (notamment la belle NGC 4921, située en périphérie de l’amas, qui dévoile déjà sa structure en spirale ainsi que sa barre centrale).

Au niveau du cadrage, j’avais volontairement décentré légèrement l’amas afin de pouvoir inclure dans le champ quelques galaxies intéressantes (dans le coin supérieur droit), notamment NGC 4931. Au final, le résultat n’est, à mon sens, pas pleinement concluant : il aurait été préférable d’optimiser la diagonale du capteur pour inclure des galaxies supplémentaires sans pour autant excentrer trop l’amas.

Les acquisitions ont été réalisées en LRGB.

Malgré 8h de pose au total, dont 4h40 consacrées à la seule couche de luminance, le résultat n’est pleinement satisfaisant. La détectivité notamment me semble en retrait ; la faute à un ciel à la transparence plus que moyenne et à une Lune assez présente pendant une partie des acquisitions. Ce ciel de qualité très médiocre a pénalisé à la fois le signal, pour enregistrer les galaxies les plus faibles, et a limité la résolution : l’embonpoint des étoiles les plus brillantes est un signe révélateur de l’absence de finesse globale de l’image.

De même, le temps consacré à l’acquisition des couches couleur n’a pas été suffisant pour espérer pouvoir proposer des nuances plus prononcées au sein de l’amas, dont les galaxies ressortent assez uniformément « jaunes-orangées ». Bien que cela soit globalement assez fidèle aux couleurs uniformes de l’amas (les galaxies elliptiques proposent rarement des couleurs contrastées) et qu’il soit assez rare de voir des images proposant des couleurs vraiment plus prononcées, le résultat final ne me semble pas satisfaisant. On notera que les étoiles non plus ne proposent pas de couleurs tranchées.

Vous l’avez compris, je ne suis pas réellement satisfait du résultat obtenu sur cette image ; que ce soit en terme de détectivité, de finesse ou de couleurs.

Il n’en reste pas moins que, malgré ses défauts, il est déjà possible de compter sur cette image plusieurs centaines de galaxies : la version annotée ci-contre ne propose que les 100 principales, mais un examen rapide de la version « full » permet d’en déceler 3 voire 4 fois plus en arrière plan. La densité et la variété de galaxies représentées, et notamment le contraste entre les galaxies géantes à l’avant-plan et le fourmillement des innombrables petites taches en arrière-plan, offre déjà un effet de perspective et de mise en abime très impressionnant.

Au final, une image satisfaisante pour un premier essai… mais à compléter par la suite en lui rajoutant un temps de pose conséquent afin de tenter de corriger ses défauts les plus flagrants ! 🙂

 

 

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Conseils de prise de vue

L’amas Coma est une cible réputée difficile.

Vous aurez compris à la lecture de l’analyse (critique mais j’espère objective) de ma propre image ci-dessus que je ne compte pas démentir ici cette réputation !

De fait, cet amas présente des particularités qui promettent une défi relevé avant même de commencer les acquisitions : il est à la fois très étendu (plus d’un degré) et composé d’objets pour la plupart minuscules. En effet, en dehors des deux galaxies géantes NGC 4874 et NGC 4889, et d’une petite dizaine de galaxies présentant des détails de structure, les centaines d’autres galaxies se résument le plus souvent dans les instruments d’amateurs à de petites « tâchouilles » sans détails et à l’aspect quasi-stellaire.

Pour tenter de concilier au mieux ces contraintes, il est donc recommandé de disposer d’un instrument de grand diamètre et très lumineux (f/4 ou inférieur), mais offrant cependant une focale suffisante pour ne pas réduire l’ensemble de l’amas à un ensemble informe de points mal résolus.

Une focale comprise entre 800mm et 1000mm constitue probablement le meilleur compromis pour photographier l’amas dans son ensemble en obtenant un niveau de détails suffisant. Une focale plus importante est cependant recommandée si vous souhaitez vous concentrer sur les détails de certaines galaxies ; à condition toutefois de disposer d’un capteur de format assez grand (format APS-C minimum).

En effet, en fonction de la focale utilisée, le capteur devra être suffisamment grand pour permettre d’englober l’ensemble de l’amas, et même un peu plus afin de bien faire ressortir l’effet de fourmillement provoqué la forte densité de galaxies en comparaison du fond de ciel environnant.

Un champ trop resserré sur l’amas lui-même (ou juste sur une partie de celui-ci) peut en effet s’avérer néfaste pour le contraste et, paradoxalement, ne pas permettre de restituer aussi bien cet effet de foisonnement. Or, sur ce genre de cible où l’on ne peut espérer ni fins détails ni couleurs prononcés, le contraste d’ensemble est évidemment primordial pour obtenir un résultat intéressant.

Veillez également à conserver un échantillonnage correct (entre 1″ et 1,5″/px) afin de pouvoir saisir les quelques détails présents sur certaines galaxies.

La présence de quelques étoiles assez lumineuses et colorées dans le champ est un élément sur lequel il est possible de jouer afin de renforcer le contraste d’ensemble. La mise en valeur de ces étoiles permettra en outre de bien les distinguer des galaxies en arrière-plan. Pour cela, n’hésitez pas à accentuer un peu la saturation des couleurs sur les étoiles. Si des aigrettes sont naturellement présentes, elles constitueront ici un atout pour mettre en valeur ces étoiles. Si vous utilisez une lunette, il peut être intéressant d’obtenir un effet similaire en plaçant des fils en croix sur votre pare-buée (ou, à défaut, d’insérer ces aigrettes lors du traitement de l’image).

Pour les acquisitions, l’amas Coma étant constitué de petits objets de faible luminosité, il est bien entendu recommandé de privilégier des nuits sans Lune et avec un ciel parfaitement transparent, afin d’optimiser la détectivité dans le fond de ciel et d’éviter tout halo. A défaut, non seulement moins de petites galaxies seront bien visibles, mais cela compliquera également la tâche au traitement. Naturellement, évitez à tout prix un ciel pollué ; l’utilisation de filtres anti-pollution lumineuse étant déconseillé pour ce type de cibles à spectre continu (du moins avec une caméra couleur ; l’équilibre colorimétrique pouvant ensuite être compliqué à obtenir au traitement).

Dans la même logique, les meilleurs mois pour photographier cet objet sont avril et mai ; période où l’objet est le plus longtemps visible au cours de la nuit, passe au méridien à une heure intéressante (permettant les acquisitions avant et après ce passage), et permet de réaliser le plus de poses avec l’objet au plus haut dans le ciel (70° environ en France). N’oubliez pas que plus l’objet est haut dans le ciel, plus la couche d’atmosphère traversée est fine, et plus la transparence est bonne (et le plus souvent la turbulence). Ces quelques détails peuvent vraiment faire la différence entre une image moyenne et une bonne image sur ce type d’objets…

Comme pour tous les objets, il est fortement recommandé d’anticiper ses sessions d’observation, à l’aide de logiciels tels que Stellarium, Carte du Ciel ou Astromatos. Les utilisateurs de logiciels d’automatisation de session tels que SGP ou NINA peuvent également trouver toutes les informations utiles dans les utilitaires de cadrage et les bases de données de ces outils.

Sur cette cible, il est bien sûr recommandé de consacrer un temps global conséquent aux acquisitions, et ce pour l’ensemble des couches. A cette fin, ne prévoyez pas de réaliser une image de l’amas Coma sur une seule nuit (surtout aux mois d’avril ou mai où les nuits sont déjà assez courtes…).

La Luminance est bien sûr essentielle : n’hésitez pas à augmenter fortement vos temps de pose unitaire (600s ou 900s voire plus selon la qualité de votre ciel). Si votre site est relativement pollué, vous pouvez utiliser un filtre CLS en lieu et place de votre filtre L habituel. Prévoyez cependant dans ce cas d’augmenter le temps de pose global d’au moins 25%. Il sera nécessaire de consacrer au minimum quelques heures à la couche de luminance pour optimiser la détectivité des petites galaxies perdues dans le fond de ciel (4h semble un minimum avec une optique moyennement ouverte et une caméra CCD à la sensibilité standard). Bien sûr, si vous avez la possibilité de poser plus longtemps, ne vous en privez pas !

Dans tous les cas, le temps consacré à la luminance ne doit pas se faire au détriment de la couche couleur : les petites galaxies de l’amas étant de faible luminosité, il est nécessaire de prévoir un temps de pose conséquent également pour la couleur. A défaut, l’image finale risque d’être assez terne…

Pour optimiser le temps d’acquisition, il est cependant parfaitement possible de recourir si besoin au binning pour la réalisation des couches RGB.

Pour cette cible, il n’est pas nécessaire de prévoir une couche Ha : d’une part l’amas est essentiellement composé de galaxies elliptiques largement dépourvues de zones de formation d’étoiles, et d’autre part, ces galaxies sont si éloignées et leur vitesse de récession est si élevée (7000km/s) que les raies d’émission sont suffisamment décalées vers le rouge pour rendre inopérant tout filtre disposant d’une bande passante étroite (3nm par exemple).

Enfin, si cet objet est déjà difficile à saisir avec une caméra CCD, inutile de dire que le défi est encore plus relevé (mais toutefois pas impossible) avec un simple APN ! Compte-tenu de l’absence globale de détails sur les galaxies, la perte de définition n’est pas trop préjudiciable ; en revanche l’absence de refroidissement risque de limiter fortement la détectivité des objets les plus faibles et donc imposer des temps de pose à rallonge. Le jeu en vaut-il la chandelle… pas sûr ! 🙂

 

 

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Conseils de traitement

Paradoxalement, les principales difficultés sur cet objet se posent lors de l’acquisition… d’où la nécessité de s’appliquer au maximum pour cette phase !

En complément des conseils de prise de vue rappelés ci-dessus, portez également une attention particulière à la réalisation de flats corrects.

Dans la mesure où le but du traitement va notamment consister à mettre en valeur des objets très faibles, votre image de luminance doit comporter le moins de défauts d’uniformité possible à l’issue du prétraitement. Ainsi, la présence de « traces » de flats (sur-correction, sous-correction ou encore traces de poussières) va obliger à abaisser le niveau du fond de ciel pour masquer ces défauts ; ce qui peut conduire à devoir masquer également certaines galaxies faiblement lumineuses…

Cet aspect est moins problématique pour les couches couleur RGB.

Si vous constatez des défauts potentiellement gênants à l’issue de la calibration des images brutes sur votre image de Luminance, n’hésitez pas à procéder à un tri méticuleux de vos brutes afin d’écarter celles où les défauts sont les plus visibles.

Et si besoin, réalisez un nouvel empilement de vos images en procédant au préalable à une « local normalization » afin de corriger au maximum les défauts les plus visibles (pour plus d’informations sur ce process et son utilisation, je vous invite à consulter le tutoriel dédié au prétraitement).

Les images présentées ci-contre montrent bien ce souci (auquel j’ai été confronté pour cette image ; la faute à un léger bougé entre les acquisitions des brutes et des flats). En optimisant le prétraitement, il est possible de corriger au maximum les défauts, même si rien ne remplace une image parfaitement propre dès le départ !

Dans tous les cas, l’essentiel est de terminer le prétraitement avec une image de base avec le fond de ciel le plus propre possible.

Pour le traitement lui-même, la seule phase un peu délicate est celle de la montée d’histogramme. Je vous conseille de réaliser différents essais, tant avec une méthode classique (log + curseurs) qu’avec une méthode permettant de relever les valeurs basses de l’image (MaskedStretch par exemple) afin d’optimiser la visibilité des galaxies les plus faibles. Attention toutefois, si votre fond de ciel n’est pas parfaitement propre, cette seconde méthode ne donnera pas de bons résultats…

Vous pouvez ensuite retenir l’image de luminance la plus probante : la montée classique assurera un meilleur contraste (toujours utile sur ce type de cibles) mais au détriment de la visibilité des galaxies les plus faibles ; tandis que la montée optimisée présentera des avantages inverses, tout en étalant un peu plus les étoiles… Un mixage des deux images est bien sûr possible pour trouver un compromis optimal.

Un réglage important est également la définition du point noir de l’image, qui va déterminer le niveau du fond de ciel. Tout dépend alors de la qualité de votre image, l’idéal étant de pouvoir conserver un fond de ciel suffisamment sombre (entre 15 et 20 sur une image 8 bits) sans sacrifier la visibilité des galaxies les plus faibles, afin d’assurer à la fois un contraste correct à l’image et un effet de foisonnement en faisant apparaitre le maximum de « petites tachouilles » galactiques sur l’image.

Un point de vigilance pour cette phase de montée d’histogramme et de réglage du niveau du fond de ciel est d’assurer un bon équilibre de luminosité entre les galaxies géantes au centre de l’amas et les plus petites galaxies en arrière-plan. Ne sacrifiez pas l’une de ces deux catégories d’objet au détriment de l’autre…

A noter également qu’une montée d’histogramme trop appuyée peut altérer fortement l’aspect des étoiles. Il n’est toutefois pas trop gênant sur cette cible que les étoiles prennent un peu d’embonpoint, mais demeurez vigilant sur cet aspect !

Vous pouvez au besoin vous permettre d’effectuer une réduction du bruit un peu plus poussée qu’à l’accoutumée sur le fond de ciel, sans exagération toutefois afin de ne pas donner à ce dernier un aspect artificiel (utilisez un masque de luminosité inversé pour appliquer ce process).

Le recours aux process de rehaussement des détails ou HDR sont en revanche largement inutiles, voire contre-productifs, sur cette image.

Pour la couche couleur, la montée d’histogramme en mode MaskedStretch est recommandée, afin d’obtenir toute l’information utile lors de l’assemblage de l’image en mode LRGB. Pour la calibration des couleurs, le plus simple est de recourir au process PhotometricColorCalibration (PCC) de Pixinsight, qui donnera de très bons résultats, sous réserve que suffisamment d’étoiles de référence soient visibles sur votre image. Si votre champ est trop réduit ou si trop peu d’étoiles de référence sont identifiée, ce process donnera des résultats incorrects (une trentaine d’étoiles de référence est un minimum pour que celui-ci fonctionne correctement).

Si le résultat obtenu avec PCC n’est pas satisfaisant, il est recommandé de procéder à la calibration des couleurs de manière classique.

A noter que vous pouvez effectuer une réduction de bruit appuyée sur cette image couleurs, et fortement flouter la couche Couleur avant son assemblage avec la couche de Luminance afin de réduire encore un peu plus le bruit chromatique sur l’image finale.

L’assemblage LRGB ne pose pas de difficultés particulières. A l l’issue de cet assemblage, vous pouvez vous permettre d’appuyer un peu plus la saturation des couleurs, celle-ci étant par défaut assez faible sur les galaxies de l’amas.

 

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Si je devais la refaire…

Sur cette image, les sources d’amélioration sont nombreuses et sont toutes liées aux conditions d’acquisition : le même temps de pose sous un ciel plus transparent et sans aucune Lune parasite permettrait déjà d’améliorer grandement le rendu final. L’absence de défauts d’uniformité liés aux flats également…

Mais pour aller réellement plus loin, il est évident que le recours à un setup plus adapté est indispensable : un instrument de plus grand diamètre et plus lumineux permettrait de donner une autre dimension et beaucoup plus de profondeur à cet objet ; sous réserve de consacrer encore plus de temps à l’acquisition !

 

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