Les astronomes professionnels ne font pas de découvertes en regardant à travers un oculaire comme vous pourriez avec un télescope d'arrière-cour. Au lieu de cela, ils collectent des images numériques dans des caméras massives attachées aux grands télescopes.
Tout comme vous pourriez avoir une bibliothèque sans fin de photos numériques stockées dans votre téléphone portable, de nombreux astronomes collectent plus de photos qu'ils n'auraient jamais eu le temps de regarder. Au lieu de cela, les astronomes comme moi regardent certaines des images, puis construisent des algorithmes et utilisent plus tard des ordinateurs pour combiner et analyser le reste.
Mais comment pouvons-nous savoir que les algorithmes que nous écrivons fonctionneront, alors que nous n'aurons même pas le temps de regarder toutes les images? Nous pouvons nous entraîner sur certaines des images, mais une nouvelle façon de construire les meilleurs algorithmes est de simuler quelques fausses images aussi précisément que possible.
Avec de fausses images, nous pouvons personnaliser les propriétés exactes des objets de l'image. De cette façon, nous pouvons voir si les algorithmes que nous formons peuvent découvrir correctement ces propriétés.
Mon groupe de recherche et mes collaborateurs ont découvert que la meilleure façon de créer des images astronomiques fausses mais réalistes est de simuler minutieusement la lumière et son interaction avec tout ce qu'elle rencontre. La lumière est composée de particules appelées photons, et nous pouvons simuler chaque photon. Nous avons écrit un code accessible au public pour ce faire appelé Photon Simulator, ou Phosim.
L'objectif du projet Phosim est de créer de fausses images réalistes qui nous aident à comprendre d'où proviennent les distorsions des images de vrais télescopes. Les fausses images nous aident à former des programmes qui trient des images de vrais télescopes. Et les résultats des études utilisant PHOSIM peuvent également aider les astronomes à corriger les distorsions et les défauts dans leurs images de télescope réelles.
Le déluge des données
Mais d'abord, pourquoi y a-t-il autant de données d'astronomie en premier lieu? Cela est principalement dû à la montée des télescopes d'enquête dédiés. Un télescope d'enquête trace une région sur le ciel plutôt que de simplement pointer des objets spécifiques.
Ces observatoires ont tous une grande zone de collecte, un grand champ de vision et un mode d'enquête dédié pour collecter autant de lumière sur une période de temps que possible. Les principales enquêtes des deux dernières décennies comprennent le SDSS, Kepler, Blanco-Decam, Subaru HSC, Tess, ZTF et Euclid.
L'observatoire Vera Rubin au Chili a récemment terminé la construction et les rejoindra bientôt. Son enquête commence peu de temps après son événement officiel « First Look » le 23 juin 2025. Il aura un ensemble particulièrement solide de capacités d'enquête.
L'Observatoire Rubin peut regarder une région du ciel à la fois qui est plusieurs fois plus grande que la pleine lune, et elle peut étudier toute l'hémisphère céleste du sud de toutes les nuits.
Une enquête peut éclairer pratiquement tous les sujets de l'astronomie.
Certaines des questions de recherche ambitieuses incluent: faire des mesures sur la matière noire et l'énergie sombre, cartographier la distribution des étoiles de la voie lactée, trouver des astéroïdes dans le système solaire, construire une carte tridimensionnelle des galaxies dans l'univers, trouver de nouvelles planètes en dehors du système solaire et suivre des millions d'objets qui changent au fil du temps, y compris les supernovas.
Toutes ces enquêtes créent un déluge de données massif. Ils génèrent des dizaines de téraoctets tous les soirs – c'est des millions à des milliards de pixels collectés en quelques secondes. Dans le cas extrême de l'Observatoire Rubin, si vous avez passé toute la journée à regarder des images équivalentes à la taille d'un écran de télévision 4K pendant environ une seconde chacune, vous les regardez 25 fois trop lentes et vous ne suiveriez jamais.
À ce rythme, aucun humain individuel ne pourrait jamais regarder toutes les images. Mais les programmes automatisés peuvent traiter les données.
Les astronomes ne sont pas seulement interrogé un objet astronomique comme une planète, une galaxie ou une supernova une fois non plus. Souvent, nous mesurons la taille, la forme, la luminosité et la position du même objet de différentes manières dans de nombreuses conditions différentes.
Mais plus de mesures viennent avec plus de complications. Par exemple, les mesures prises dans certaines conditions météorologiques ou sur une partie de la caméra peuvent être en désaccord avec d'autres à différents endroits ou dans différentes conditions. Les astronomes peuvent corriger ces erreurs – appelés systématiques – avec un étalonnage ou des algorithmes soigneux, mais seulement si nous comprenons la raison de l'incohérence entre différentes mesures. C'est là que Phosim entre en jeu. Une fois corrigé, nous pouvons utiliser toutes les images et faire des mesures plus détaillées.
Simulations: un photon à la fois
Pour comprendre l'origine de ces systématiques, nous avons construit PHOSIM, qui peut simuler la propagation de particules lumineuses – les photos – à travers l'atmosphère terrestre puis dans le télescope et la caméra.
Phosim simule l'atmosphère, y compris la turbulence de l'air, ainsi que les distorsions de la forme des miroirs du télescope et des propriétés électriques des capteurs. Les photons se propagent à l'aide d'une variété de physique qui prédisent ce que font les photons lorsqu'ils rencontrent l'air et les miroirs et les lentilles du télescope.
La simulation se termine en collectant des électrons qui ont été éjectés par des photons dans une grille de pixels, pour faire une image.
Représenter la lumière sous forme de milliards de photons est efficace sur le plan informatique et une application de la méthode Monte Carlo, qui utilise un échantillonnage aléatoire. Les chercheurs ont utilisé PHOSIM pour vérifier certains aspects de la conception de l'observatoire Rubin et estimer à quoi ressemblerait ses images.
Les résultats sont complexes, mais jusqu'à présent, nous avons connecté la variation de la température à travers les miroirs du télescope directement à l'astigmatisme – le floues angulaires – dans les images. Nous avons également étudié la façon dont la turbulence à haute altitude dans l'atmosphère peut perturber la lumière sur son chemin vers le télescope déplace les positions des étoiles et des galaxies dans l'image et provoque des motifs floues qui sont en corrélation avec le vent. Nous avons démontré comment les champs électriques dans les capteurs du télescope – qui sont destinés à être verticaux – peuvent se déformer et déformer les images.
Les chercheurs peuvent utiliser ces nouveaux résultats pour corriger leurs mesures et mieux profiter de toutes les données que les télescopes collectent.
Traditionnellement, les analyses astronomiques ne se sont pas inquiétés de ce niveau de détail, mais les mesures méticuleuses avec les enquêtes actuelles et futures devront le faire. Les astronomes peuvent tirer le meilleur parti de ce déluge de données en utilisant des simulations pour atteindre un niveau de compréhension plus profond.
