Johns Hopkins appliquée aux mathématiciens et aux astronomes a développé une nouvelle méthode pour rendre les images de télescopes au sol aussi clairs que ceux prélevés dans l'espace, un processus qui se comporte pour étendre les avantages des instruments terrestres.
En utilisant des algorithmes qui peuvent éliminer les interférences atmosphériques, les chercheurs ont permis aux télescopes liés à la Terre de produire certaines des images les plus profondes et les plus claires d'étoiles éloignées, de galaxies et d'autres éléments cosmiques nécessaires pour étudier les origines et la structure de l'univers.
Des détails sur l'outil d'amélioration de l'image sont publiés dans Le journal astronomique.
« En aiguisant notre vision du ciel, nous pouvons voir des cibles plus loin et plus faibles et pousser le seuil de ce qui est détectable », a déclaré Tamás Budavári, astronome et mathématicien de l'Université Johns Hopkins qui a dirigé la recherche. « Cela nous donnera des images plus jolies du ciel nocturne, mais pas seulement pour l'amusement académique. Cela ouvrira de nouvelles opportunités pour améliorer la recherche en cosmologie et révolutionner la façon dont nous traitons et comprenons les observations astronomiques. »
Même les télescopes au sol les plus puissants ont du mal à observer le ciel parce que l'atmosphère de la Terre est en constante évolution. Les variations de température, de pression et d'autres conditions d'air provoquent des distorsions subtiles mais importantes dans la façon dont la lumière se réfracte lorsqu'elle passe à travers l'atmosphère, en particulier pour de faibles sources de lumière.
Les techniques traditionnelles pour traiter ces distorsions atmosphériques ont historiquement eu du mal à produire des images de haute qualité parce qu'elles brouillent les détails fins ou introduisent des artefacts granuleux, a déclaré Budavári. La nouvelle solution, appelée ImageMM, améliore les images du télescope en modélisant la façon dont la lumière des objets célestes se déplace et comment les conditions changeantes à travers différentes couches de l'atmosphère influencent ces ondes légères.
« Considérez l'atmosphère comme un rideau transparent agité, changeant constamment et chatoyant, donc la scène derrière elle semble toujours floue », a déclaré Yashil Sukurdeep, un mathématicien Johns Hopkins qui a développé l'algorithme. «Nos algorithmes apprennent à voir au-delà de ce rideau, reconstruisant l'image immobile et nette cachée derrière elle.
« En utilisant des techniques mathématiques avancées, nous sommes en mesure de produire la vue la plus claire possible – révolutionnant le ciel nocturne avec une clarté étonnante. Nous avons surnommé notre algorithme Imagemm, car à la base, il s'appuie sur la méthode de majoration – minimisation (mm) – une technique mathématique élégante que nous nous sommes adaptés à une nouvelle manière pour explorer le cosmos. »
Les premiers tests de la nouvelle méthode ont restauré des images floues et bruyantes du télescope Subaru, l'une des plus grandes du monde, en quelques secondes. Les images retraitées ont révélé des détails tels que la structure complexe des galaxies en spirale dans une clarté sans précédent. Ils ont été spécifiquement acquis par le télescope Subaru au sommet de Mauna Kea à Hawaï pour tester des expositions de qualité similaire à celles de l'observatoire Vera C. Rubin, une installation ultramoderne au Chili qui commencera à fonctionner cette année.
« Les astronomes ont déjà des outils très sophistiqués pour analyser les données d'imagerie des télescopes, mais ils ne suppriment pas tout le bruit, ils ne suppriment pas tout le flou, et ils ne traitent pas très bien des valeurs de pixels manquantes », a déclaré Sukurdeep. « Notre cadre peut récupérer une image presque parfaite à partir d'une série d'observations imparfaites. Nous n'aurons jamais de vérité au sol, mais nous pensons que c'est aussi proche que possible. »
Bien que les algorithmes puissent traiter les données nouvelles et anciennes de divers observatoires, ils sont adaptés à la prochaine enquête Sky de l'Observatoire de Rubin pour acquérir de grandes quantités de données sur l'énergie sombre et la matière noire. On pense que ces deux composantes mystérieuses du cosmos sont responsables de l'accélération de l'expansion de l'univers et de la maintenance des galaxies.
« Il est essentiel pour les astronomes de mesurer avec précision les formes des objets, non seulement d'analyser la morphologie des galaxies individuelles, mais d'analyser statistiquement leurs distorsions qui proviennent de la matière noire et d'autres effets gravitationnels », a déclaré Budavári. « En ce qui concerne les observatoires au sol à un milliard de dollars, il peut être énorme même un petit degré de profondeur et une amélioration de la qualité de ces observations. »
Bien que les télescopes spatiaux aient une capacité supérieure à capturer des images extrêmement profondes et haute résolution, elles ne peuvent parvenir qu'à capturer une petite partie du ciel observable, a déclaré Budavári. Au cours de sa vie de 34 ans, le télescope spatial Hubble n'a photographié qu'environ 0,1% du ciel, selon la NASA. Au lieu de cela, des installations au sol telles que l'Observatoire Rubin imaginent tout le ciel visible tous les quelques jours.
« Avec notre technique, c'est des centaines d'observations que nous pouvons transformer en images presque comparables à ce que nous n'avons pu obtenir qu'avec un télescope spatial auparavant », a déclaré Budavári. « Bien sûr, c'est idéaliste, mais c'est vraiment le but ici: enlever l'atmosphère. »
