« Une mosaïque de mosaïques de mosaïques » : les coulisses de cette...

Il y a quelques jours, nous avons mis en ligne la photo la plus grande et la plus détaillée jamais réalisée du centre de la Voie lactée ! Les images en très haute résolution sont disponibles sur le site de l'Agence spatiale européenne (ESA). Cette image du bulbe galactique (la région centrale de notre Galaxie) a été acquise par le télescope spatial Euclid. Alliant champ large et haute résolution comme jamais auparavant, elle a été construite à partir des données d'Euclid, puis enrichie en couleurs grâce à des observations complémentaires réalisées avec la caméra MegaCam, au télescope Canada-France-Hawaï (CFHT). Plusieurs centaines d'heures de traitement ont été nécessaires pour atteindre ce niveau de précision inédit.

Avec ses 6 milliards de pixels et plus de 60 millions d'étoiles répertoriées, cette image est réellement sans précédent. Jean-Charles Cuillandre, qui a lui-même généré l'image en couleur du bulbe galactique, nous en dévoile les coulisses.

60 millions d'étoiles : voici la photo la plus grande et la plus détaillée jamais prise du centre de la Voie lactée !

À l’occasion du Quick Release 2 de la mission Euclid, l’Agence spatiale européenne a dévoilé aujourd’hui une nouvelle image du bulbe galactique, la région centrale de notre Galaxie. Cette image, qui allie champ large et haute résolution comme jamais auparavant, a été réalisée à partir des données d’Euclid et enrichie en couleurs grâce aux observations effectuées avec MegaCam au télescope Canada-France-Hawaï (CFHT). Elle représente plusieurs centaines d’heures de traitement, témoignant de l’effort déployé pour atteindre ce niveau de précision. La Voie lactée n’a jamais aussi bien porté son nom.... Lire la suite

Contrairement à ce que l'on pourrait imaginer, « cette image n'a pas été obtenue par Euclid en une seule prise de vue », tient à préciser l'astronome.

Derrière chaque photographie du ciel se cache en réalité un processus vertigineux d'assemblage, de correction et de recomposition, au point que Jean-Charles Cuillandre résume l'opération d'une formule aussi simple qu'évocatrice : « une mosaïque de mosaïques de mosaïques ».

De l'image brute à l'image finale : à gauche (image 1), il s’agit de l'un des clichés situés en périphérie du relevé EGBS (Euclid Quick Data Release (Q2), The Euclid Galactic Bulge Survey), révélant les 36 détecteurs et leurs 4 quadrants. On y remarque la saturation des étoiles les plus brillantes (traits verticaux), qui sera corrigée lors de la dernière étape du traitement. C'est ainsi qu'on aboutit à l’image inédite du bulbe galactique, la région centrale de notre Galaxie (image de droite). © ESA, Euclid, Euclid Consortium, Nasa, CFHT, image processing by J.-C. Cuillandre and E. Bertin (CEA Paris-Saclay)

144 appareils photo en un seul

La première chose à comprendre, « c'est que télescope spatial Euclid ne possède pas un capteur unique, comme celui d'un appareil photo ou d'un smartphone », indique J.-C. Cuillandre. Il s'agit en réalité d'un « assemblage de dizaines de capteurs individuels, collés les uns aux autres comme les carreaux d'un carrelage », explique l'astronome.

Prenons l'exemple de la caméra VIS du télescope Euclid, utilisée pour photographier le centre de notre Galaxie. Elle est composée de 36 capteurs différents, pour un total de 610 millions de pixels. Mais ce n'est pas tout : chacun de ces 36 capteurs est lui-même lu par quatre sorties électroniques séparées. Résultat : chaque image est en réalité composée de 144 petits morceaux distincts.

Autrement dit, « c'est un peu comme si votre appareil photo était en réalité 144 appareils photo miniatures fonctionnant simultanément, chacun avec sa propre sensibilité à la lumière, ses propres réglages, ses propres petits défauts », résume J.-C. Cuillandre.

Le premier défi consiste donc à harmoniser tous ces morceaux entre eux, pour que l'image finale ne révèle aucune trace de cette fragmentation technique. Un travail de fourmi, invisible, mais indispensable.

Le problème des trous dans le puzzle

Mais un second problème surgit immédiatement : « entre les capteurs, il existe forcément de minuscules espaces vides, un peu comme les joints entre les carreaux d'un carrelage. Résultat : une seule prise de vue laisse toujours des trous dans l'image du ciel », précise l'astronome.

La solution employée est aussi simple qu'élégante : le télescope prend plusieurs photos successives (généralement quatre à cinq), en se décalant très légèrement à chaque fois. Un peu comme si vous photographiiez un paysage avec un appareil photo dont le viseur comporterait des zones aveugles, en déplaçant très légèrement l'appareil à chaque cliché pour combler les trous laissés par le précédent.

Le vrai défi ne réside pas dans la prise de vue elle-même, mais dans l'assemblage final. Recoller ces images en une seule doit se faire avec une précision absolue. « La moindre imperfection, tel un léger décalage, une différence de luminosité, trahirait immédiatement l'origine artificielle de l'assemblage », souligne J.-C. Cuillandre. L'objectif est qu'aucune trace de « couture » ne soit visible, comme si l'image avait toujours existé telle quelle.

S'orienter grâce à un GPS céleste

Pour recoller les morceaux d'image exactement au bon endroit, les astronomes ont besoin d'un système de repérage extrêmement précis. Ils utilisent pour cela un outil remarquable : le catalogue d'étoiles établi par la mission Gaia de l'ESA, qui a mesuré la position de plus d'un milliard d'étoiles avec une précision inégalée. C'est, en quelque sorte, le GPS du ciel.

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Mais dans le cas de l'image du centre galactique, « cette étape s'est révélée particulièrement délicate », note J.-C. Cuillandre. Cette région de notre Galaxie est « si dense en étoiles que celles-ci se chevauchent littéralement les unes les autres : un phénomène que les astronomes appellent le régime de confusion », détaille l'astronome.

Même avec une optique aussi performante que celle d'Euclid, capable de produire des images d'une netteté extraordinaire, il « devient extrêmement difficile d'identifier précisément chaque étoile individuellement », ajoute-t-il. C'est un peu comme si l'on devait repérer des visages précis au sein d'une foule tellement dense que chaque personne se retrouve collée à sa voisine.

Paver le ciel comme une fresque

Une fois qu'un premier morceau du ciel a été correctement assemblé pour un champ de vue du télescope, il faut recommencer l'opération plusieurs fois pour couvrir une zone plus large. Dans le cas de cette image, « neuf champs ont ainsi été assemblés côte à côte, selon un pavage de 3 sur 3 », précise J.-C. Cuillandre.

C'est de cet assemblage à plusieurs échelles, c'est-à-dire les 610 millions de pixels de chaque champ, multipliés par les dépointages successifs, puis par les neuf champs du pavage, que naissent finalement les 6 milliards de pixels de l'image complète. Là encore, la difficulté ne réside pas tant dans l'alignement des positions que dans l'harmonisation de la luminosité entre chaque champ. L'enjeu est « qu'aucune frontière ne soit perceptible entre les neuf zones photographiées séparément et que l'ensemble ressemble à une unique et vaste fresque continue, et non à un assemblage de neuf photographies distinctes », insiste l'astronome.

En haut à gauche, illustration du recalage astrométrique des pointés Euclid sur la voûte céleste à l'aide de Gaia, avec le nord vers le haut et l'est vers la gauche, conformément à la convention astronomique. On distingue clairement les multiples images et la manière dont elles comblent les lacunes de la couverture du ciel (cf. image 1). Quant aux quatre petits trous visibles au centre, ils ont été comblés ultérieurement par l'ajout d'un pointé supplémentaire.
En haut à droite, vue détaillée du coin inférieur gauche de la mosaïque VIS, une fois les 16 images (ainsi que les images des pointés adjacents en périphérie) assemblées après application de la solution astrométrique Gaia. Les images avaient alors été finement réduites, au point qu'il n'était plus possible de distinguer les transitions entre les 144 quadrants, entre les différentes images ou entre les différents pointés.
En bas à gauche, vue d'ensemble de la mosaïque. Comme les détecteurs ne sont pas espacés de manière identique selon les axes X et Y (cf. image 1), des encoches de largeur variable apparaissent en périphérie. Afin d'obtenir un rendu plus propre, J.-C. Cuillandre a dessiné un masque supprimant ces zones périphériques, peu esthétiques.
En bas à droite, cette figure montre le champ observé depuis le Maunakea avec le CFHT, ainsi que les couvertures respectives d'Euclid VIS (en bleu) et de MegaCam (en rouge). Les champs de vue des deux caméras n'ont pas la même orientation. Le CFHT étant un télescope équatorial, le nord est toujours aligné avec l'axe Y. Euclid, en revanche, opère dans le référentiel de son orbite et de ses contraintes d'observation liées au plan de l'écliptique ; l'orientation du champ varie donc par rapport au référentiel céleste terrestre, d'où cette différence d'angle.
© ESA, Euclid, Euclid Consortium, Nasa, CFHT, image processing by J.-C. Cuillandre and E. Bertin (CEA Paris-Saclay)

D'où vient donc la couleur ?

Voici un détail que le grand public ignore souvent rappelle J.-C. Cuillandre : « Une image scientifique brute, telle qu'elle sort directement d'un télescope, est toujours en noir et blanc. » La couleur que nous admirons sur les images finales est en réalité une reconstruction, obtenue en combinant plusieurs images prises à travers différents filtres.

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Dans le cas de cette photographie du centre de notre Galaxie, une contrainte supplémentaire s'est imposée. « Le télescope Euclid n'a observé cette région qu'à travers un seul et unique filtre, dit "canal visible", couvrant environ la gamme 550 à 950 nm. Impossible, donc, d'obtenir une image en couleurs à partir des seules données d'Euclid », explique J.-C. Cuillandre.

La solution a consisté à faire appel à un second télescope, terrestre celui-ci : le télescope Canada-France-Hawaï (CFHT), équipé d'une caméra baptisée MegaCam. « Cette caméra, conçue en France par le CEA, est un véritable précurseur technologique de la caméra VIS d'Euclid : une mosaïque de 40 capteurs, pour un total de 380 millions de pixels », détaille l'astronome.

Mais une différence de taille distingue les deux instruments : contrairement à Euclid, qui observe depuis l'espace, MegaCam doit composer avec l'atmosphère terrestre, laquelle floute inévitablement les observations. « Résultat : les images de MegaCam sont environ 5 fois moins nettes que celles de VIS », précise J.-C. Cuillandre. Une résolution moindre, mais largement suffisante pour l'usage recherché ici. « Il ne s'agissait pas de capturer un luxe de détails, mais simplement la couleur des étoiles en leur cœur, ce que MegaCam permet parfaitement », ajoute l'astronome.

La méthode employée ensuite est particulièrement astucieuse : les données d'Euclid ont été utilisées pour fournir la luminosité et la netteté de l'image (une sorte de socle en noir et blanc, extrêmement détaillé), tandis que les données de MegaCam ont fourni les teintes de couleur, appliquées par-dessus cette base. Un peu comme si l'on coloriait une photographie noir et blanc très précise, à l'aide des teintes captées séparément par un second appareil. « MegaCam a ainsi obtenu les filtres (couleurs) larges "Sloan" u, g et r, qui ensemble permettent d'obtenir ce que nous pouvons considérer comme de vraies couleurs pour l'œil humain, en RGB », précise l'astronome.

Au final, cette image du centre galactique résulte donc d'un empilement de défis techniques à plusieurs niveaux : « l'assemblage de dizaines de capteurs individuels au sein d'une même caméra, l'assemblage de plusieurs prises de vue décalées pour combler les trous entre ces capteurs, puis l'assemblage de plusieurs champs du ciel pour former une image plus large, le tout complété par l'ajout de données de couleur provenant d'un second télescope », résume J.-C. Cuillandre.

Ce qui frappe le plus, dans ce processus, c'est son caractère totalement invisible pour le spectateur final. Et c'est précisément la marque d'un travail réussi. « Plus une image du ciel paraît naturelle, évidente, presque simple, plus le travail de reconstruction accompli en coulisses a, en réalité, été complexe », conclut Jean-Charles Cuillandre.

Image finale avant le découpage appliqué à l'étape 4 (image de gauche/bas de la précédente illustration), avec les couleurs provenant de MegaCam. © ESA, Euclid, Euclid Consortium, Nasa, CFHT, image processing by J.-C. Cuillandre and E. Bertin (CEA Paris-Saclay)

Deux cents heures de traitement, 10 milliards de pixels, deux télescopes, un supercalculateur maison : derrière l'image spectaculaire du centre galactique captée par Euclid se cache une véritable prouesse technique. Jean-Charles Cuillandre, astronome au CEA, nous dévoile les coulisses de cette fabrication hors norme.

Futura : Combien de temps a pris concrètement tout ce travail d'assemblage, du téléchargement des données brutes à l'image finale ?

J.-C. Cuillandre : Près de 200 heures au total entre Euclid et MegaCam, auxquelles s'ajoute le temps nécessaire à la combinaison des deux jeux de données. En revanche, le téléchargement des données brutes est très rapide (une demi-journée), grâce à notre connexion à des réseaux à haut débit.

Futura : Quelle est la taille du fichier final ? Et celle des données brutes utilisées en entrée (en Go/To) ?

J.-C. Cuillandre : L'image finale, sous forme de rectangle englobant le bulbe, mesure 108 000 × 90 000 pixels, soit près de 10 milliards de pixels. En revanche, la mosaïque polygonale correspondant aux neuf champs ne totalise qu'environ 6 milliards de pixels.

Futura : Combien d'images brutes au total ont été nécessaires, en comptant les 9 champs × 4-5 dépointages × 2 télescopes ?

J.-C. Cuillandre : Pour Euclid, cela représente près de 150 images (16 images par champ), chacune pesant 1,2 gigaoctet, pour un total d'environ 180 gigaoctets. Pour le CFHT, ce sont 135 images (5 images par champ et par couleur), chacune pesant 760 mégaoctets, soit un total d'environ 102 gigaoctets. Une fois l'ensemble de ces données brutes traité, l'image finale de 6 milliards de pixels n'occupe plus que 12 gigaoctets, soit un facteur de réduction proche de 24.

Futura : Quel logiciel ou quels outils avez-vous utilisés pour ce traitement ? Un logiciel existant, ou des scripts développés spécifiquement ?

J.-C. Cuillandre : Pour moitié, il s'agit de logiciels en C ou en Python que j'ai développés au fil des ans. L'autre moitié repose sur les outils de la suite AstrOmatic d'Emmanuel Bertin, collègue de longue date et également astronome au CEA. Nous partageons d'ailleurs la ligne de crédit associée à cette image.

Ce visuel est particulièrement important, car il met en évidence la différence de résolution entre Euclid (télescope spatial de 1,2 m) et le CFHT (3,6 m au sol), dont les observations sont limitées par le flou atmosphérique. En observant attentivement, on retrouve exactement les couleurs de MegaCam sur les étoiles correspondantes de l'image VIS. La résolution est d'environ 0,16" pour VIS contre environ 1" pour MegaCam, soit un gain d'un facteur proche de 6 en résolution angulaire pour Euclid. © ESA, Euclid, Euclid Consortium, Nasa, CFHT, image processing by J.-C. Cuillandre and E. Bertin (CEA Paris-Saclay)

Futura : Est-ce qu'un ordinateur personnel suffit, ou faut-il une puissance de calcul particulière (supercalculateur, cluster) ?

J.-C. Cuillandre : L'ESA exigeant que l'ensemble des images soit traité à la résolution native et avec la plus haute qualité, un supercalculateur est absolument indispensable. Nous exploitons un serveur Dell doté de 96 cœurs, de 250 gigaoctets de mémoire vive, de 90 téraoctets de stockage sur disques durs, de 32 téraoctets de stockage SSD et d'un GPU très puissant pour les applications fondées sur l'apprentissage, domaine dans lequel Emmanuel Bertin est expert.

Futura : Y a-t-il eu un moment de doute ou d'échec pendant le processus ? Une étape où vous avez cru que ça ne fonctionnerait pas ?

J.-C. Cuillandre : Les observations d'Euclid ont eu lieu en mars 2025. Le premier traitement rapide que j'ai réalisé avait pour objectif de valider l'ensemble des données afin que l'ESA puisse annoncer le succès de la campagne d'observation. Fort de mon expérience passée avec Euclid, je savais alors qu'il serait possible de produire une belle mosaïque du ciel. La principale inquiétude concernait les couleurs. Il fallait que je produise au plus vite une image issue d'Euclid afin de justifier l'attribution d'un temps d'observation spécial accordé par le directeur du CFHT, soit les cinq heures nécessaires à l'acquisition des trois couleurs sur ce télescope de 3.6m de diamètre (contre 1m pour Euclid). Un observatoire au sol, même situé sur le Maunakea, reste soumis aux aléas météorologiques, et la visibilité du bulbe de la Voie lactée est limitée, depuis l'hémisphère Nord, de juin à août. J'ai donc attendu avec fébrilité la réalisation des observations par l'équipe du CFHT au cours des semaines suivantes.

Futura : Quel a été le moment le plus satisfaisant dans ce travail : la première fois où vous avez vu l'image « prendre forme » ?

J.-C. Cuillandre : Le moment magique a été la combinaison de l'image en noir et blanc d'Euclid avec l'image en couleurs du CFHT. La résolution de l'image spatiale était ainsi pleinement préservée, tandis que les couleurs gagnaient en profondeur grâce à un contraste naturellement renforcé par cette combinaison. 

Grâce à l'important travail de préparation réalisé en amont, la première version que j'ai découverte sur mon écran était, pour l'essentiel, celle que le public a ensuite vue. Il ne restait plus qu'à corriger quelques artefacts instrumentaux qui ne devaient pas perturber une représentation fidèle du ciel. S'en sont donc suivies la correction des pixels saturés à proximité des étoiles les plus éblouissantes, ainsi que celle des réflexions parasites produites par les optiques d'Euclid.

Image finale, telles que rendue publique par l'Agence spatiale européenne et le consortium Euclid. © ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, CFHT, image processing by J.-C. Cuillandre and E. Bertin (CEA Paris-Saclay)

À retenir

• Une image, deux télescopes. Euclid (dans l'espace) fournit la netteté, MegaCam au sol (CFHT) fournit la couleur.
• 6 milliards de pixels, 60 millions d'étoiles. L'image la plus détaillée jamais réalisée du centre de la Voie lactée.
• 144 mini-capteurs assemblés en un seul cliché. La caméra VIS d'Euclid n'a pas un capteur unique, mais 36 capteurs divisés en 144 sorties électroniques.
• Des centaines d'heures de traitement ont été nécessaires pour assembler cette image, invisible pour le spectateur final.
• Le noir et blanc devient couleur grâce à un second télescope : Euclid ne capte qu'un seul filtre, insuffisant pour la couleur.
• Le centre galactique, un cas extrême. Une densité d'étoiles telle qu'elle crée un « régime de confusion », rendant le repérage particulièrement difficile.
• Le secret d'une belle image : ne rien laisser paraître. Plus l'image semble naturelle, plus le travail invisible derrière elle a été complexe.