Une collaboration PSL au Pic du Midi

Test d’une nouvelle caméra pour observer les astres

Tester un prototype d’une caméra à très haute dynamique pour observer les astres avec une précision inégalée. Retour sur la rencontre entre deux chercheurs dans l’un des sites les plus majestueux des Pyrénées.
Conversation entre David Darson et François Colas au Pic du Midi
David Darson et François Colas discutent des objectifs de leur mission, avec le Pic du Midi en arrière-plan © Laboratoire de Physique de l’ENS/CNRS/Hubert Raguet

 

David Darson, ingénieur de recherche au Laboratoire de Physique (ENS), et François Colas, chercheur à l’Observatoire de Paris, travaillent régulièrement ensemble au Pic du Midi. Le journal de bord de leur précédente mission (d’octobre 2018) et les images quotidiennes saisies par le photographe Hubert Raguet permettent de mieux comprendre le fonctionnement et les enjeux d’une mission scientifique. Suite à la mission de juillet 2019, retour sur les grands enjeux de cette collaboration.

Qui sont David Darson et François Colas ?

David Darson est Ingénieur de Recherche au Laboratoire de physique de l'École normale supérieure. Il a obtenu en 2012 le Cristal du CNRS pour avoir conçu, réalisé et valorisé un nouveau type d’alimentation programmable très bas bruit haute précision. Récemment, il a gagné le 1er Prix des Trophées de la SATT (Société d’Activation et Transfert Technologique) pour sa caméra infrarouge HDR (High Dynamic Range : à très haute dynamique) dont le prototype avait été testé lors de la mission au Pic du Midi. Cette caméra à haute dynamique peut, par la cumulation de plusieurs images prises avec des temps de pose plus ou moins longs, rendre simultanément sur une même image des zones de très faibles et de très forte luminosité.

François Colas est Ingénieur de Recherche de l’Observatoire de Paris, cocréateur du projet FRIPON (Fireball Recovery Interplanetary Observation Network, un réseau de recherche de bolides et de matière interplanétaire) qui, pour repérer les météores, déploie sur tout le territoire français et ailleurs dans le monde près de 150 caméras à 180° (dites AllSky) et 25 récepteurs radio. Ce réseau permet de « pister » les météorites (météore allant percuter le sol) et d’en délimiter la zone d’impact pour ensuite partir à leur recherche.
Il a fondé à l’Observatoire du Pic du Midi, la Station de Planétologie des Pyrénées. Il est d’ailleurs responsable du télescope de 1 mètre, dit T1m, niché sous la coupole Gentilly.
Constamment, il y étudie des objets, plus ou moins gros, et des phénomènes de notre système solaire. Il réalise par exemple la météo de certains astres comme Jupiter ou Saturne, en observant notamment les traceurs de vent qui permettent de savoir quand les tempêtes se déclarent et de surveiller leur évolution.

Pourquoi la caméra de David Darson est-elle intéressante pour l’astronomie ?
 

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Prototype de la caméra HDR de David Darson montée sur le télescope T1m de la Station de Planétologie des Pyrénées à l’Observatoire du Pic du Midi © Laboratoire de Physique de l’ENS/CNRS/Hubert Raguet

« La caméra conçue par David Darson m’intéresse particulièrement, par sa capacité à révéler des contrastes très élevés. Ainsi, elle permet de lever l’un des principaux verrous auquel je suis confronté lors de mes observations. Pour le moment, il est quasiment impossible d’observer en même temps, sur une même image, une planète, comme Saturne ou Jupiter, et ses satellites les plus petits : ils se trouvent bien souvent au plus proche des planètes, noyés dans leur luminosité. Ce se sont eux qui sont les plus méconnus et qui pourtant sont porteurs d’une grande richesse d’informations scientifiques. » - François Colas

Les caméras scientifiques utilisées pour observer le ciel travaillent soit dans le visible – elles traitent alors les mêmes longueurs d’onde que l’œil humain –, soit dans l’infrarouge. L’infrarouge permet d’étudier des caractéristiques physiques inaccessibles : chaque longueur d’onde est en effet porteuse d’une information sur la matière qui a émis la lumière récupérée par le télescope. L’infrarouge permet également de "voir" au travers de nuages de poussières fines qui sont opaques dans le visible. Cette nouvelle caméra associe donc HDR et infrarouge de manière nouvelle.

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François Colas pointe au télescope T1m de la Station de Planétologie des Pyrénées à l’Observatoire du Pic du Midi © Laboratoire de Physique de l’ENS/Photothèque du CNRS/Hubert Raguet

 

Quels sont les avantages de cette caméra par rapport à celles déjà existantes ?

« Le prototype que j’ai créé en partenariat avec le bureau d’études et l’atelier de mécanique du Laboratoire de Physique de ENS, utilise peu de mémoire par rapport aux caméras existantes, qui stockent des images intermédiaires avant de les combiner pour un rendu final.  J’ai pu concevoir un modèle qui choisit les temps de pose nécessaires pixel par pixel, et ce en temps réel, pendant toute la durée de la prise de vue. Ainsi les faibles et fortes luminosités figurent sur un seul et même cliché, sans avoir besoin de passer par des images intermédiaires. » - David Darson

Pour affiner les capacités de sa caméra, David Darson s’est inspiré de l’œil humain, qui fonctionne selon un mode logarithmique, c’est-à-dire que plus le signal lumineux est fort, moins la réponse du détecteur (électronique ou humain) augmente vite. Ainsi, nous pouvons regarder (brièvement) le Soleil de face tout en continuant de voir le ciel bleu juste à côté, quand l’image prise avec notre appareil photo numérique apparaîtra, elle, blanche et saturée… Quand le signal lumineux devient trop fort, la caméra bascule en mode logarithmique.

 

Les gains de cette mission

La précédente mission d’octobre 2018 au Pic du Midi a permis d’engendrer beaucoup de données pour faire évoluer la caméra. Ainsi, les clichés de Saturne étaient très détaillés tandis que Mars et ses satellites Deimos et Phobos sont apparus en direct sur la même image et Jupiter était visible avec les Galiléens. La caméra de David Darson a aussi révélé sur le même cliché Sirius B à côté de Sirius, l’étoile la plus brillante du ciel.

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La caméra infrarouge HDR de David Darson parvient à révéler sur la même image Sirius, l’étoile la plus brillante du ciel, et son compagnon Sirius B, malgré les très énormes différences de luminosité © David Darson

Pour la mission de juillet 2019, David Darson a procédé à des améliorations techniques de la caméra : elle est désormais dotée d’un cryocooler, un système de refroidissement pouvant atteindre -200°C, compact et autonome. Celui-ci limite, voire annule le bruit thermique et améliore considérablement la qualité des clichés.
Cette caméra, encore en constante évolution, intéresse déjà des industriels prêts à la commercialiser à des fins scientifiques. Le prochain prototype en développement offrira une amélioration en vitesse, passant de 25 à 250 images par seconde, verra son bruit divisé par 5, et présentera des combinaisons inédites de modes de lecture.
Ainsi, à l’aide du système d’autoguidage qui équipe le télescope, un suivi parfait des astres étudiés a été assuré cet été : de très longues expositions sur Jupiter et Saturne ont pu être réalisées et sont de bien meilleur rendu que celles de la précédente mission de 2018.

 

Objectif transmission :  l’autre facette d’une mission scientifique

Cette mission a aussi été riche en rencontres et en échanges avec le monde universitaire mais aussi un public plus large.

Les clichés vont notamment pouvoir servir à Salma Mbaye, doctorante de l’Université de Dakar dont le co-directeur de thèse est François Colas. Présente au Pic, elle réalise une étude statistique des impacts de météorites sur Jupiter dans le cadre de sa thèse.

« L’observation et l’étude de ces phénomènes peut aider à mieux connaître l’origine et l’âge de ces objets du système solaire. Les données acquises par la caméra de David Darson sont un matériau de choix pour mes analyses. » Salma Mbaye

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Salma Mbaye, François Colas et David Darson observent les premières images de Jupiter produites par la caméra infrarouge HDR de David Darson © Laboratoire de Physique de l’ENS/CNRS/Hubert Raguet

Deux étudiants de l’ISAE-SUPAERO (Institut Supérieur de l'Aéronautique et de l'Espace) de Toulouse en stage à l’observatoire du Pic du Midi, ont aussi saisi l’opportunité de cette mission pour en apprendre plus sur la caméra haute technologie de David Darson.

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David Darson explique à des étudiants de l’ISAE-SUPAERO l'objet de sa mission et ce que sa caméra HDR infrarouge peut apporter aux observations astronomiques © Laboratoire de Physique de l’ENS/CNRS/Hubert Raguet

Le 12 juillet 2019 lors de l’événement international On the moon again qui célèbre le 50e anniversaire du premier pas sur la lune, une caméra (dans le visible) a été installée sur le télescope T1m. En partenariat avec le service informatique de l’Observatoire Midi-Pyrénées, cette dernière a pu transmettre en direct au grand public des images de l’astre blanc sur la page Facebook de On the Moon Again pendant plus de cinq heures.

Au pilotage du télescope ? François Colas, qui a passé en revue différents sites lunaires : le cratère d’impact Clavius où est supposé se dresser le monolithe de 2001, l’Odyssée de l’Espace), ainsi que le cratère emblématique Copernic. Des sites d’alunissage ont aussi pu être repérés, comme la Mer de la Tranquillité, où s’est posé Apollo 11 il y a 50 ans et la vallée de Taurus-Littrow, qui a permis l’atterrissage d’Apollo 17 il y a 47 ans, lors du dernier pas lunaire de l’homme.

Soutenu par une cinquantaine de scientifiques et astronautes tels Hubert Reeves, Aurélien Barrau ou Claudie Haigneré, l’opération On the Moon again invite les possesseurs de lunettes ou de télescopes à les sortir dans la rue pour regarder la lune et partager leurs images avec le grand public. François Colas a fait partie du comité de coordination de l’événement.

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François Colas, aidé par David Darson, repère sur un Atlas de la Lune les sites d’alunissage des missions Apollo afin de pointer le télescope T1m dessus © Laboratoire de Physique de l’ENS/CNRS/Hubert Raguet

De prochains événements en diffusion directe plus complexe sont envisagés : l’internaute pourrait par exemple jongler avec plusieurs webcams positionnées dans la control room et la salle du télescope, en plus de celle qui montre ce que pointe le télescope. Cela permettrait de rendre compte de l’ambiance générale autour d’une observation et du travail de l’équipe.

Si le Pic du Midi est une destination incontournable pour David Darson, François Colas et leurs collègues, c’est parce qu’il est aujourd’hui l’un de ces rares lieux où expérimentation scientifique et transmission au public peuvent cohabiter et profiter l’une de l’autre.

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Pendant que la caméra enregistre des données, David Darson contemple la Voie lactée © Laboratoire de Physique de l’ENS/CNRS/Hubert Raguet
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La terrasse de l'observatoire du Pic du Midi éclairée par la lune © Laboratoire de Physique de l’ENS/CNRS/Hubert Raguet
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David Darson et François Colas lors d’une pause sur la terrasse du télescope T1m de la Station de Planétologie des Pyrénées de l’Observatoire du Pic du Midi © Laboratoire de Physique de l’ENS/CNRS/Hubert Raguet

Article réalisé à partir du compte-rendu de mission de Charlotte Normand (pour le service communication du Laboratoire de Physique de l'ENS)
Tous les visuels d’illustration ont été réalisés par Hubert Raguet, photographe scientifique

 

Interview de David Darson et François Colas, réalisée à l'ENS en juillet 2019