Objectifs

L'objectif de ce TP est d'exploiter l'atlas interactif Aladin afin de se familiariser avec la visualisation, la manipulation et l'exploration d'images et de catalogues astronomiques. Le traitement et l'analyse des images permettra de mesurer la taille des structures dans un nuage de gaz et de poussière. De plus, la comparaison d'images obtenues à différentes longueurs d'onde permettra de distinguer les différentes zones émettrices, et ainsi de mieux comprendre la structuration en phases du milieu interstellaire.

Le logiciel Aladin

Aladin est un logiciel développé au Centre de Données astronomiques de Strasbourg (CDS) dans le cadre de l'Observatoire Virtuel (OV). Il permet de visualiser des images digitalisées du ciel et d'y superposer de façon interactive des informations issues de catalogues ou de bases de données astronomiques. Aladin offre une série d'outils pour interroger les différentes bases de données et manipuler les images et les catalogues. Au cours de ce TP nous exploiterons une partie de ces outils afin d'apprendre à chercher, choisir et extraire des images d'un objet astronomique dans les différentes bandes du spectre électromagnétique ; et à obtenir des informations complémentaires sur l'objet (par exemple distance, position et origine des cibles) en utilisant les catalogues disponibles. Nous effectuerons les opérations suivantes :

• ajustement de la dynamique d'affichage des pixels (c'est-à-dire du contraste de l'image)
• mesure de distance angulaire dans le champ de vue
• traçage de courbes isophotes (courbes d'égale brillance lumineuse) sur une image
• création de vues simultanées afin de comparer facilement des images à différentes longueurs d'onde de la même région du ciel.

La nébuleuse de l'Aigle

L'objet d'étude de ce TP est la nébuleuse de l'Aigle (M16), une région de formation d'étoiles massives située à l'intérieur du bras galactique du Sagittaire. Un grand nuage de gaz et de poussière interstellaire, d'extension environ 50 années-lumière, est illuminé et ionisé par les nombreuses étoiles massives (type OB) du jeune amas stellaire ouvert NGC6611. La façon dont le rayonnement ionisant stellaire sculpte le nuage a été étudiée à haute résolution dans l'optique par le télescope Hubble. Ces observations ont révélé la présence de structures denses et sombres de gaz et de poussière en forme de doigts, appelés ici les Piliers de la Création.

La formation des piliers s'interprète comme le résultat de l'ionisation d'un nuage moléculaire fortement inhomogène. La photo-ionisation du gaz à la surface du nuage chauffe cette interface à environ 10⁴ K, et sous l'effet de la pression thermique ce gaz chaud s'échappe du nuage vers la région HII : c'est le phénomène de photo-evaporation. Ce phénomène est particulièrement visible dans les images Hubble sous la forme d'un halo luminescent entourant le sommet de chacun des piliers. La photo-évaporation "érode" graduellement le nuage moléculaire, dont la matière est progressivement incorporée dans la région HII, qui croît en taille. Dans un nuage inhomogène, les régions initialement plus denses sont plus opaques au rayonnement ultraviolet et résistent plus longtemps à la photo-évaporation. Leur cone d'ombre, bien protégé du rayonnement, s'érode beaucoup plus lentement que le reste du nuage et subsiste ainsi sous forme de piliers. C'est le même processus qui mène sur terre à la format ion des cheminées de fées, qu'une pierre plus dure protège de l'érosion du vent et de l'eau.

Les observations du télescope VLT dans l'infrarouge proche, et des satellites Spitzer et Herschel dans l'infrarouge moyen et lointain, ont permis de sonder l'intérieur des piliers de la Création (grâce à la plus faible opacité de la poussière aux grandes longueurs d'onde), et de révéler la présence d'étoiles naissantes en leur sein. Au cours de ce TP nous analyserons des images de la nébuleuse de l'Aigle à différentes longueurs d'onde en identifiant les diverses composantes responsables de son émission.

Procédure

• Lancement d'Aladin : Aladin peut être utilisé sans aucune installation, simplement en utilisant un navigateur Web. Il faut charger la page : http://aladin.u-strasbg.fr/java/nph-aladin.pl et accepter l'exécution de l'applet.
• Recherche d'une image : pour charger une image astronomique utiliser le menu Ouvrir ⇒ All VO, puis indiquer le nom ou la position de l'objet dans le formulaire qui apparaît. Dans notre exemple il s'agit de M16 avec un rayon de recherche de 14' (décocher les cases Catalogues et Spectres pour effectuer une recherche plus rapide). Sélectionner l'image "Pillars of Creation in a Star-Forming Region" avec un champ de 2.6' X 2.5' en dépliant le menu "Hubble press release images" et appuyer sur le bouton Chercher. L'image visualisée est en "vraies couleurs" et résulte de la combinaison de trois images correspondant à l'émission dans le visible de trois traceurs typiques du gaz ionisé : Hα (vert) , SII (rouge) et OIII (bleu) (voir la Section Détection du gaz ionisé). La fenêtre de contrôle de la dynamique des pixels, activée en cliquant sur l'icône pixel du menu à droite de l'image, fait apparaître trois histogrammes correspondant à la répartition des valeurs des pixels dans les composantes Rouge, Vert, Bleu. Il est possible d'ajuster le contraste des différentes couleurs en déplaçant les curseurs.
• Manipulation des images d'archives : pour accéder aux archives du télescope Hubble sélectionner Ouvrir ⇒ Missions et choisir logHST dans la liste d'observations disponibles. Les objets issus du catalogue sont superposés à l'image et chaque objet peut être sélectionné au moyen de la souris en y cliquant dessus. En sélectionnant les différentes cibles repérer les objets qui appartiennent à M16, dont les cordonnées s'affichent sous forme d'une table en dessous de l'image, en les différenciant des objets de l'amas ouvert NGC6611. Pour charger les images d'archives correspondant il faut cliquer sur Image dans la table. Choisir l'image et la position du champ (par la fenêtre de zoom à droite de l'image) les plus appropriées pour effectuer des mesures de la taille des piliers. Ces mesures se font en activant l'outil graphique dist dans le menu de droite et en déplaçant le curseur associé avec la souris sur la région d'intérêt de l'image. La distance angulaire mesurée s'affiche en bas de l'image et peut être relue en passant la souris sur la flèche. Elle est donnée en minutes d'arc et non en degrés. Aladin ne manipule pas la notion de distance à l'observateur, uniquement la représentation sur la sphère céleste en fournissant donc des mesures de taille angulaire des objets analysés. L'information sur la distance à l'observateur peut être dérivée en interrogeant le catalogue Simbad à l'adresse http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-fid. Il faut sélectionner le nom de l'objet recherché ainsi que le champ de vue et cocher la case distance dans la liste des mesures disponibles.

Procédure

• Chargement des images : lister les images disponible de M16 avec un rayon de recherche de 14' dans le serveur d'images Aladin en utilisant le menu : Fichier ⇒Charger une image astronomique⇒serveur d'images Aladin. Charger l'image dans le visible POSSI O-DSS2 750 avec un champ de vue de 13' X 13' et l'image dans l'infrarouge proche 2MASS K(IR K) 99052S_KI1320103 dont le champ de vue est 8.6' X 17.1'.
• Gestion du contraste des images : La dynamique des valeurs d'intensité des images astronomiques, c'est-à-dire leur contraste, est représentée dans le logiciel par le moyen d'une table de gris qui établit une correspondance entre l'intensité mesurée en chaque pixel de l'image et un niveau de gris. Aladin effectue un échantillonnage des pixels de l'image afin d'appliquer un seuillage : toutes les valeurs de pixels inférieures au seuil bas sont affichées en blanc, celles au-dessus du seuil haut en noir et les valeurs intermédiaires sont converties entre 0 et 255 linéairement (sur les matériels informatiques actuels le rendu visuel monochromatique est codé sur 1 octet) et affichées en niveaux de gris. L'utilisateur peut modifier le contraste des images en appuyant sur le bouton pixel accessible dans la barre d'outils à droite de l'image. Un exemple de la fenêtre qui s'affiche est montré sur la figure Fenêtre de contrôle de la dynamique des pixels. Il s'agit d'un histogramme de la répartition des pixels entre la plus petite et la plus grande valeur retenues par Aladin, qui peut être plus simplement interprété comme le nombre des pixels en fonction de l'intensité mesurée et donc émise par les objets (gaz, étoiles, poussières) contenus dans la région observée. Pour augmenter ou diminuer le contraste de l'image il suffit de modifier la fonction de transfert qui établit la correspondance entre les valeurs d'intensité des pixels et le tableau de gris. Le maximum du contraste est obtenu en activant la fonction Log dans la fenêtre de la dynamique des pixels. On peut également déplacer les curseurs en bas de l'histogramme pour modifier les seuils de l'image afin de rendre plus ou moins visible l'émission des différents objets ou zones de l'image.
• Extraction des contours : Aladin fournit un outil graphique permettant de générer des isophotes (courbe d'égale intensité lumineuse) d'une image. En appuyant sur le bouton cont de la barre des outils à droite de l'image on active une fenêtre (un exemple est montré sur la figure Fenêtre de contrôle des isophotes) qui permet d'ajuster le nombre de contours souhaités (à chaque contour est associé un curseur) ainsi que le niveau d'intensité correspondant. La fenêtre affiche en effet l'histogramme de la distribution des pixels présents dans l'image et les curseurs donnent les valeurs des pixels en correspondance avec les niveaux de gris. Leur déplacement se fait selon les même critères utilisés pour la gestion du contraste de l'image. L'extension des contours croît avec le nombre de pixels décomptés à la position du curseur qui correspond à une valeur d'intensité de pixel.

Fenêtre de contrôle de la dynamique des pixels

Crédit : http://aladin.u-strasbg.fr/java/AladinManuel6.pdf

Fenêtre de contrôle des isophotes

Crédit : http://aladin.u-strasbg.fr/java/AladinManuel6.pdf

Procédure

• Chargement des images à différentes longueurs d'onde :
  1. Visible : combinaison en fausses couleurs pour une image composée de trois filtres optiques : 451 nm bande B ( en bleu), 539 nm bande V( en vert), 651 nm bande R(en rouge) obtenue avec le télescope MGP/ESO à l'Observatoire de La Silla, au Chili. Le champ de vue est de 32 X 32 minutes d'arc. L'image peut être téléchargée à l'adresse : http://www.eso.org/public/archives/images/screen/eso0926a.jpg.
  2. Infrarouge moyen : combinaison en fausses couleurs de quatre canaux infrarouges : 3.6 μm (en bleu), 4.5 μm (en vert), 5.8 μm (en orange), 8 μm (en rouge) obtenue avec le télescope spatial Spitzer. Le champ de vue est de 28 X 32 minutes d'arc. L'image peut être téléchargée à l'adresse : http://www.spitzer.caltech.edu/uploaded_files/images/0008/0952/ssc2007-01c1_Ti.jpg.
  3. Infrarouge moyen-lointain : combinaison en fausses couleurs de trois canaux infrarouges : de 4.5 μm à 8 μm (en bleu), 24 μm (en vert), 70 μm (en rouge) obtenue avec le télescope spatial Spitzer. Le champ de vue est de 28 X 32 minutes d'arc. L'image peut être téléchargée à l'adresse : http://www.spitzer.caltech.edu/uploaded_files/images/0008/1741/ssc2007-01a1_Ti.jpg.
  4. Infrarouge lointain-submillimetrique et rayons X : combinaison en fausses couleurs de trois canaux infrarouges/submillimétriques à 70 μm (bleu), 160 μm (vert), 250 μm (rouge) obtenue avec le télescope spatial Herschel et d'une image en rayons X prise par le télescope spatial XMM-Newton. L'image peut être téléchargée à l'adresse : http://www.nasa.gov/images/content/616643main_pia15260b-full_full.jpg.
• Activation des vues multiples : en cliquant sur l'icône multivues en bas à gauche de l'image créer simultanément plusieurs vues afin de comparer facilement les images chargées. L'activation de l'icône north en bas à gauche de l'image permet de changer l'orientation des différentes images afin de les comparer plus aisément.