Une caméra de 3,2 gigapixels capture 500 000 galaxies en un seul cliché

500 000 galaxies rassemblées dans une seule photographie.

Le 31 juillet, l’observatoire Rubin au Chili a publié sa toute première image scientifique : une vue en champ profond de la région COSMOS regroupant plus de 500 000 galaxies et 50 000 étoiles. À l’origine de ce cliché exceptionnel se trouve la plus grande caméra numérique jamais construite : un monstre de 3,2 gigapixels pesant près de 3 tonnes, plus grand qu’une petite voiture.

Pour prendre la mesure de cet équipement : la caméra d’un smartphone moderne tourne généralement autour de 50 mégapixels. Celle de l’observatoire Rubin affiche une résolution 64 fois supérieure. Une seule prise de vue couvre une surface céleste équivalente à 40 pleines lunes côte à côte. Pour afficher l’image dans sa résolution d’origine, il faudrait assembler plus de 380 écrans de télévision 4K.

Un balayage unique sur le terrain de jeu historique de Hubble

Situé dans la direction de la constellation du Sextant, le champ COSMOS est l’une des parcelles célestes les plus célèbres de l’astronomie. Sa réputation vient d’un emplacement privilégié : situé loin du plan de la Voie lactée, le champ est peu perturbé par les étoiles du premier plan ou la poussière interstellaire, offrant une vue dégagée vers le cosmos lointain. Le télescope spatial Hubble y mène des observations approfondies depuis 2003, et pendant plus de 20 ans, les grands observatoires mondiaux l’ont scruté dans toutes les longueurs d’onde, de la radio aux rayons X.

L’observatoire Rubin vient de réobserver cette zone en superposant des centaines d’observations pour produire une image composite profonde qui révèle 500 000 galaxies d’un seul coup.

Image : Champ profond du domaine COSMOS capturé par l’observatoire Rubin. La quasi-totalité des points lumineux sur cette image sont des galaxies lointaines et non des étoiles. Source : Rubin Observatory / NOIRLab

Que représente le chiffre de 500 000 galaxies ? Une galaxie typique compte généralement plusieurs centaines de milliards d’étoiles. Cela signifie que chaque point lumineux à peine visible sur ce cliché masque en réalité des centaines de milliards d’étoiles regroupées. La photo montre des bras de galaxies spirales, des galaxies elliptiques lisses, des paires de galaxies en collision et en fusion, ainsi que des galaxies rouge sombre issues de l’Univers très jeune.

Image : Détails de galaxies sélectionnées dans le champ profond, montrant des galaxies spirales, elliptiques et en cours de fusion. Source : Rubin Observatory / NOIRLab

Pour établir une comparaison objective : en terms de profondeur d’image unique, Hubble conserve l’avantage et peut détecter des objets encore plus faibles. La force de Rubin réside dans sa largeur de champ et sa rapidité. Sa zone de couverture est plus de cent fois supérieure à celle de la caméra principale de Hubble, et l’instrument photographiera la même région du ciel à répétition. L’un creuse en profondeur, l’autre balaye en largeur : deux capacités parfaitement complémentaires.

Pourquoi fabriquer une caméra de 3 tonnes ?

La réponse réside dans le nom même de l’observatoire. Il rend hommage à l’astronome Vera Rubin qui, dans les années 1970 et 1980, découvrit que les étoiles en périphérie des galaxies tournaient bien trop vite pour être retenues par la seule matière visible. Son explication : l’Univers contient une forme de matière invisible, la matière noire. Aujourd’hui, on estime que la matière noire constitue environ 85 % de la matière totale de l’Univers, bien que sa nature exacte demeure inconnue.

Les indices de la matière noire proviennent de l’observation, mais pour la vérifier et la mesurer, il faut observer un volume massif de galaxies sur de longues périodes. La mission centrale de l’observatoire Rubin s’intitule LSST (Legacy Survey of Space and Time) : un projet sur 10 ans visant à photographier l’ensemble du ciel austral tous les 3 à 4 jours, créant ainsi un film en accéléré de l’Univers sur une décennie. Les capteurs CCD de la caméra sont refroidis à -100 °C pour minimiser le bruit électronique, épaulés par une lentille frontale de 1,5 mètre de diamètre et une roue de 6 filtres colorés. Avec des poses de 15 secondes, elle accumule des milliers de clichés chaque nuit claire.

La caméra est installée sur un télescope d’observation de 8,4 mètres d’ouverture situé à 2 682 mètres d’altitude au Cerro Pachón, dans le nord du Chili. Avec environ 300 nuits d’observation claires par an et un air extrêmement sec et transparent, l’endroit figure parmi les meilleurs sites d’observation au monde.

Image : Schéma de superposition des balayages successifs de la caméra LSST sur le champ COSMOS. L’imagerie répétée d’une même région est essentielle pour détecter les variations temporelles des objets célestes. Source : Rubin Observatory / NOIRLab

Les applications de ce film cosmique dépassent largement la seule matière noire :

• Énergie noire. L’Univers est en expansion accélérée. Quelle force en est responsable ? Des indices pourraient se cacher dans la modification de la position et de la forme de milliards de galaxies au fil du temps.
• Alerte précoce aux astéroïdes. Sur 10 ans, le projet devrait découvrir environ 6,2 millions d’astéroïdes et permettre de repérer à l’avance la quasi-totalité des objets potentiellement dangereux de plus de 140 mètres de diamètre.
• Phénomènes transitoires. Les événements éphémères tels que les explosions de supernovas ou la destruction d’étoiles par des trous noirs échappaient autrefois faute de surveillance en temps réel.
• Structure de la Voie lactée. L’observatoire recensera également des milliards d’étoiles au sein de notre propre galaxie.

Ce jeu de données EDP2 constitue un premier aperçu. Il couvre environ 3 000 degrés carrés, soit un sixième du ciel austral visible. Ces 500 000 galaxies ne représentent qu’un avant-goût : au terme de ses 10 ans de mission, le LSST devrait répertorier environ 20 milliards d’objets célestes.

L’astronomie entre dans l’ère de la science des données

À l’échelle des données : la caméra génère chaque nuit environ 20 To de données brutes, soit l’équivalent de milliers de films en haute définition. Sur une décennie, cela représentera une base de données de plusieurs pétaoctets (Po) consignant les variations de luminosité de 20 milliards d’objets.

Un tel volume dépasse les capacités d’analyse de l’œil humain. Autrefois, les astronomes étudiaient les plaques photographiques à la main ; aujourd’hui, recevoir 20 To par nuit rend l’inspection manuelle impossible. La classification des objets, la détection d’anomalies et les alertes de supernovas doivent être automatisées par des algorithmes. Le quotidien des chercheurs s’oriente vers l’entraînement de modèles, le contrôle d’anomalies et la conception de pipelines de données. En publiant le jeu EDP2, l’équipe Rubin a testé l’ensemble de la chaîne de traitement pour permettre à la communauté scientifique d’ajuster ses outils.

Pour le grand public, ce flux massif comporte deux conséquences majeures. D’une part, la détection des astéroïdes menaçants pour la Terre franchit une étape décisive. D’autre part, conformément à la politique de données ouvertes de Rubin, les jeux de données deviendront accessibles au public après une période d’exclusivité de deux ans, permettant à quiconque de consulter le catalogue de 20 milliards d’objets depuis chez soi. L’astronomie passe du statut d’actif privé de quelques institutions à celui de bien public mondial.

20 ans d’obstacles avant le premier cliché

Le chemin jusqu’à ce premier résultat fut semé d’embûches. Plus de deux décennies se sont écoulées entre les premiers concepts et les premières images scientifiques, le budget a plus que doublé par rapport aux estimations initiales, plusieurs retards ont été enregistrés et l’abandon du projet a parfois été débattu. Ce cliché de 500 000 galaxies est le fruit de nombreuses évaluations et d’une persévérance technique sans faille.

C’est aussi un hommage rendu au Chili. Le jour de l’annonce, l’équipe Rubin a dédié cette image aux habitants de la région de Coquimbo, touchée récemment par de violentes intempéries. Les hauts plateaux andins soutiennent depuis des décennies les recherches astronomiques les plus avancées de l’humanité.

Ces 500 000 galaxies ne sont que le début. Au cours des 10 prochaines années, la caméra de 3 tonnes fonctionnera chaque nuit claire pour immortaliser les métamorphoses du cosmos. Pour la première fois, l’humanité s’apprête à tourner un film sur l’ensemble de l’Univers observable.

Liens de référence :

• Actualités de l’observatoire Rubin : Rubin Observatory’s first LSST Camera release
• Discussion HN (item?id=49183079)
• Communiqué de presse du SLAC : DOE-NSF Rubin Observatory opens a deep window on a famous cosmic field
• Reportage sur Phys.org : Rubin Observatory opens a deep window on a famous cosmic field