De nouvelles techniques de traitement de l'image ont été discutées le 10 novembre 2016 à la conférence scientifique du radiotélescope SKA (Square Kilometer Array) à Goa, en Inde, lorsque des chercheurs français ont communiqué à la communauté astronomique des travaux prometteurs entrepris en France pour développer de nouveaux procédés d’analyse d’image en radioastronomie avec de nombreuses applications potentielles. Des équipes françaises de l'Observatoire de Paris, de l'Observatoire de la Côte d'Azur, du Laboratoire AIM (Astrophysique-Instrumentation-Modélisation), Labex UnivEarthS, de l'ENS Cachan et de l'Université Paris X travaillent activement sur des algorithmes de pointe pour l'étalonnage et la déconvolution des images de la radioastronomie.
Une "Optique adaptative" pour la radioastronomie
Une équipe française de l'Observatoire de Paris dirigée par Cyril Tasse travaille sur le développement de l'équivalent de «l'optique adaptative» pour la radioastronomie. Les systèmes optiques adaptatifs - utilisés dans des installations d'astronomie optique de classe mondiale telles que le VLT (Very Large Telescope) au Chili - mesurent comment la turbulence atmosphérique affecte des sources connues dans le ciel, puis déforment en temps réel les surfaces réfléchissantes actives et compensent ainsi la turbulence, ce qui donne des images beaucoup plus nettes. Ces systèmes corrigent ainsi presque totalement les effets de l'atmosphère.
«En astronomie optique, on applique cette correction au miroir. En radioastronomie, on applique la correction dans le supercalculateur qui effectue le traitement de l'image», explique Chiara Ferrari, coordinatrice de l'organisation SKA-France, chargée de coordonner les contributions françaises à SKA dans la période menant à la phase de construction en 2018.
Alors que des outils d'auto-étalonnage existent déjà en radioastronomie, l'équipe française a développé des algorithmes de nouvelle génération "dépendant de la direction" et s’adaptant à la nature changeante de l'ionosphère qui affecte la partie du ciel observée. Ces algorithmes mesurent comment le signal de sources connues dans le ciel dans la zone d'observation est affecté par la turbulence de l'ionosphère, puis appliquent une correction en post-traitement pour annuler ces effets. L'équipe a récemment testé son algorithme sur les observations du télescope international LOFAR (Projet LOFAR Surveys, dirigé par le Prof Röttgering), ce qui a donné des résultats très prometteurs.
En collaboration avec le groupe du Prof. Oleg Smirnov en Afrique du Sud, cette nouvelle génération d'algorithmes a également été récemment utilisée pour traiter la première image de MeerKAT, l'un des télescopes précurseurs SKA situés en Afrique du Sud, dans laquelle 7 000 galaxies jusqu'alors inconnues ont été découvertes.
Résultats de l'étalonnage classique (à gauche) et de nouvelle génération (à droite) sur une petite partie du «champ Bootes» observé pendant 8 heures avec le télescope LOFAR à 150 MHz (données de courtoisie: LOFAR Surveys, Röttgering et al.)
Production d'images à "super-résolution"
Parallèlement, des chercheurs de l'Observatoire de la Côte d'Azur et du Laboratoire AIM ont travaillé au développement de nouveaux outils de reconstruction d'images. Les observations de radioastronomie utilisent des transformées de Fourier pour créer des images à partir des données observées. Afin de reproduire l'image qui reproduit le mieux le ciel observé, les astronomes ont besoin de se débarrasser des artefacts dans les images causées par le télescope lui-même, à travers une opération appelée "déconvolution".
Les algorithmes classiques de déconvolution supposent que le ciel est peuplé de sources dont la forme peut être décrite mathématiquement par un ensemble de fonctions. Le travail développé par les équipes françaises repose sur l'hypothèse d'un ensemble plus large de fonctions. Les résultats obtenus jusqu'à présent montrent que ces nouveaux outils produisent de meilleures images avec une résolution angulaire (capacité de voir plus de détails) et une sensibilité (capacité à détecter des objets faibles) accrues.
De façon remarquable, l'algorithme développé par les chercheurs AIM et Labex UnivEarthS a été appliqué aux observations LOFAR de la radio-galaxie Cygnus A, obtenant ainsi une image à "super-résolution".
«Étant donné que de telles techniques sont actuellement testées avec succès sur les observations des précurseurs et des prototypes de SKA, nous prévoyons qu'ils seront d'une grande utilité une fois que le SKA sera opérationnel, permettant de pousser les qualité d'image jusqu’aux limites du télescope et même au delà», ajoute Chiara Ferrari.
Au-delà de l'astronomie, ces techniques ont également de nombreuses autres applications potentielles.
"Ces techniques de traitement d'images sont évidemment passionnantes pour l'astronomie, mais peuvent également être appliquées à n'importe quel domaine où le traitement d'image est nécessaire, et sont également prometteurs pour l'imagerie médicale et l'observation de la Terre", conclut la chercheuse.
Observations LOFAR à 150 MHz de la radio galaxie Cygnus A. Image obtenue avant déconvolution (à gauche), et après déconvolution: avec des outils classiques (centre) et avec le nouvel algorithme développé à AIM Laboratoire CosmoStat (à droite). Le nouvel algorithme permet d'obtenir une image modèle avec une meilleure résolution angulaire ( "super-résolution") que les algorithmes classiques.
Contours d'émission radio d'une image 327,5 MHz de Cygnus A sur lesquels sont superposés l'image LOFAR super-résolution à 150 MHz. Comme les fréquences plus élevées permettent d'obtenir des images de résolution plus élevée, cette comparaison montre que les détails observés sur l'image LOFAR "super-résolution" sont confirmés par l'image obtenue par déconvolution classique sur les observations VLA. Extrait de Garsden et al., 2014, A & A 575, 90
À propos du SKA
Le projet Square Kilometer Array (SKA) est un effort international visant à construire le plus grand télescope radio du monde, dirigé par l'organisation SKA, basée à l'Observatoire de Jodrell Bank, près de Manchester. Le SKA mènera des observations avec une précision sans précédent pour améliorer notre compréhension de l'Univers et les lois de la physique fondamentale. Il cartographiera le ciel des centaines de fois plus rapidement que n'importe quelle installation actuelle.
Le SKA n'est pas un télescope unique, mais une collection de télescopes ou d'instruments, rassemblés en réseau sur de longues distances. Le SKA doit être construit en deux phases: Phase 1 (SKA1) en Afrique du Sud et en Australie; La phase 2 (appelée SKA2) s'étend dans d'autres pays africains, la composante en Australie étant également élargie.
Déjà soutenu par 10 pays membres - l'Australie, le Canada, la Chine, l'Inde, l'Italie, la Nouvelle-Zélande, l'Afrique du Sud, la Suède, les Pays-Bas et le Royaume-Uni - SKA Organisation rassemble les meilleurs scientifiques, ingénieurs et entrepreneurs du monde entier et plus de 100 entreprises et institutions de recherche dans 20 pays pour la conception et le développement du télescope. La construction du SKA devrait débuter en 2018, avec des premières observations scientifiques au début des années 2020.
Contact : Jean-Luc STARCK
Pour en savoir plus :
Voir aussi : Imagerie super-résolue pour les radiotélescopes géants (04 mars 2015)
