Comment le Webb envoie ses images de cent mégapixels à des millions de kilomètres vers la Terre

La NASA vient de a révélé la première série d’images du télescope spatial James Webb, d’un champ profond impressionnant de galaxies à une caractérisation minutieuse de l’atmosphère d’une exoplanète lointaine. Mais comment un vaisseau spatial situé à des millions de kilomètres renvoie-t-il des dizaines de gigaoctets de données sur Terre ?

Parlons d’abord des images elles-mêmes. Ce ne sont pas seulement des JPEG courants – et le Webb n’est pas simplement un appareil photo ordinaire.

Comme tout instrument scientifique, le Webb capture et envoie à domicile des tonnes de données brutes à partir de ses instruments, deux capteurs infrarouges proches et moyens à haute sensibilité et une multitude d’accessoires qui peuvent les spécialiser pour la spectroscopie, la coronographie et d’autres tâches selon les besoins.

Prenons l’une des premières images récemment publiées avec une comparaison directe à titre d’exemple.

Course aux mégapixels

Le Hubble, qui est plus comparable à un télescope à lumière visible traditionnel, a pris cette image de la nébuleuse Carina en 2008 :

Bien sûr, c’est une image incroyable. Mais le Hubble est plus comparable à un télescope à lumière visible traditionnel, et plus important encore, il a été lancé en 1990. La technologie a quelque peu changé depuis !

Voici la version Webb de cette même région :

Il est clair pour tout spectateur que la version Webb a loin plus de détails même en regardant ces petites versions. La texture vaporeuse de la nébuleuse se résout en formations nuageuses complexes et en traînées, et davantage d’étoiles et vraisemblablement de galaxies sont claires et visibles. (Bien que notons ici que l’image de Hubble a ses propres charmes.)

Effectuons simplement un zoom avant sur une région pour souligner le niveau de détail capturé, juste à gauche et en haut à partir du centre :

Extraordinaire, non ? Mais ce détail a un coût : les données !

L’image Hubble est d’environ 23,5 mégapixels, pesant 32 mégaoctets non compressés. L’image Webb (telle que rendue disponible après traitement) est de 123 mégaoctets et d’environ 137 mégaoctets. C’est plus de cinq fois les données, mais même cela ne raconte pas toute l’histoire. Les spécifications du Webb lui permettent de renvoyer des données à 25 fois le débit du Hubble – pas seulement des images plus grandes, mais plus d’entre elles… de 3 000 fois plus loin.

Appel longue distance

Hubble est en orbite terrestre basse, à environ 340 milles au-dessus de la surface. Cela signifie que la communication avec lui est vraiment très simple – votre téléphone reçoit de manière fiable les signaux des satellites GPS beaucoup plus éloignés, et c’est un jeu d’enfant pour un scientifique de la NASA de transmettre des informations dans les deux sens à un satellite sur une orbite aussi proche.

JWST, d’autre part, se trouve au deuxième point de Lagrange, ou L2, à environ un million de kilomètres de la Terre, directement loin du soleil. C’est quatre fois la distance parcourue par la lune et une proposition beaucoup plus difficile à certains égards. Voici une animation de la NASA montrant à quoi ressemble cette orbite :

Heureusement, ce type de communication est loin d’être sans précédent ; nous avons envoyé et reçu de grandes quantités de données de beaucoup plus loin. Et nous savons exactement où le Webb et la Terre seront à un moment donné, donc même si ce n’est pas trivial, il s’agit vraiment de choisir les bons outils pour le travail et de faire un calendrier très minutieux.

Dès le début, le Webb a été conçu pour transmettre sur la bande Ka des ondes radio, dans la gamme de 25,9 gigahertz, bien dans les gammes utilisées pour les autres communications par satellite. (Starlink, par exemple, utilise également Ka, ainsi que d’autres autour de ce territoire.)

Cette antenne radio principale est capable d’envoyer environ 28 mégabits par seconde, ce qui est comparable aux vitesses haut débit domestiques – si le signal de votre routeur a pris environ cinq secondes pour parcourir un million de kilomètres de vide pour atteindre votre ordinateur portable.

Cela lui donne environ 57 gigaoctets de capacité de liaison descendante par jour. Il y a une deuxième antenne fonctionnant sur la bande S inférieure – étonnamment, la même bande utilisée pour le Bluetooth, le Wi-Fi et les ouvre-portes de garage – réservée aux choses à faible bande passante comme les mises à jour logicielles, la télémétrie et les bilans de santé. Si vous êtes intéressé par les détails, IEEE Spectrum a un excellent article qui va plus en détail à ce sujet.

Ce n’est pas seulement un flux constant, car bien sûr les rotations de la Terre et d’autres événements peuvent intervenir. Mais parce qu’ils traitent avec des variables principalement connues, l’équipe Webb planifie leurs heures de contact quatre ou cinq mois à l’avance, relayant les données via le Deep Space Network. Le Webb peut capturer des données et les envoyer le même jour, mais la capture et la transmission ont été planifiées bien avant.

Fait intéressant, le Webb ne dispose que d’environ 68 gigaoctets d’espace de stockage en interne, ce qui, selon vous, rendrait les gens nerveux s’il pouvait en envoyer 57 – mais il y a plus qu’assez d’opportunités pour décharger ces données afin qu’elles n’obtiennent jamais ce redoutable « lecteur ». complet ».

Mais ce que vous voyez à la fin – même cette grande image TIFF non compressée de 123 mégaoctets – n’est pas ce que le satellite voit. En fait, il ne perçoit même pas du tout la couleur telle que nous la comprenons.

« Permettre aux données de transparaître avec de la couleur »

Les données qui entrent dans les capteurs sont dans l’infrarouge, ce qui est au-delà de la bande étroite de couleurs que les humains peuvent voir. Nous utilisons de nombreuses méthodes pour voir en dehors de cette bande, bien sûr, par exemple les rayons X, que nous capturons et visualisons d’une manière que nous pouvons voir en les faisant frapper un film ou un capteur numérique calibré pour les détecter. C’est pareil pour le Webb.

« Le télescope n’est pas vraiment un appareil photo compact. Ce n’est donc pas comme si nous pouvions simplement prendre une photo et nous l’avons, n’est-ce pas ? C’est un instrument scientifique. Il a donc été conçu avant tout pour produire des résultats scientifiques », a expliqué Joe DePasquale, du Space Telescope Science Institute, dans un podcast de la NASA.

Ce qu’il détecte, ce ne sont pas vraiment des données que les humains peuvent analyser, et encore moins percevoir directement. D’une part, la plage dynamique est hors des graphiques – cela signifie la différence de magnitude entre les points les plus sombres et les plus clairs. Il n’y a fondamentalement rien de plus sombre que le vide infini de l’espace et pas beaucoup plus lumineux qu’un soleil qui explose. Mais si vous avez une image qui inclut les deux, prise sur une période de plusieurs heures, vous vous retrouvez avec d’énormes deltas entre l’obscurité et la lumière dans les données.

Maintenant, nos yeux et notre cerveau ont une assez bonne plage dynamique, mais cela les fait sortir de l’eau – et plus important encore, il n’y a pas vraiment de moyen de le montrer.

« Cela ressemble essentiellement à une image noire avec quelques taches blanches, car il y a une plage dynamique tellement énorme », a déclaré DePasquale. « Nous devons faire quelque chose qui s’appelle étirer les données, c’est-à-dire prendre les valeurs des pixels et les repositionner, en gros, pour que vous puissiez voir tous les détails qui s’y trouvent. »

Avant de vous opposer de quelque manière que ce soit, sachez d’abord que c’est essentiellement ainsi que toutes les images sont créées – une sélection du spectre est découpée et adaptée pour être visualisée par notre système visuel très performant mais également limité. Parce que nous ne pouvons pas voir dans l’infrarouge et qu’il n’y a pas d’équivalent du rouge, du bleu et du vert dans ces fréquences, les analystes d’images doivent faire un travail compliqué qui combine une utilisation objective des données à une compréhension subjective de la perception et même de la beauté. Les couleurs peuvent correspondre à des longueurs d’onde dans un ordre similaire, ou peut-être être divisées pour mettre en évidence de manière plus logique des régions qui « semblent » similaires mais émettent un rayonnement extrêmement différent.

« Nous aimons, dans la communauté de l’imagerie en astrophotographie, faire référence à ce processus en tant que » couleur représentative « , au lieu de ce qu’il s’appelait auparavant, beaucoup de gens appellent encore des » images en fausses couleurs « . Je n’aime pas le terme « fausse couleur », parce qu’il a cette connotation que nous faisons semblant, ou c’est, vous savez, ce n’est pas vraiment ce à quoi il ressemble ; les données sont les données. Nous n’allons pas là-dedans et appliquer, comme peindre de la couleur sur l’image. Nous respectons les données du début à la fin. Et nous permettons aux données de s’afficher en couleur.

Si vous regardez l’image ci-dessus, les deux vues de la nébuleuse, considérez qu’elles ont été prises sous le même angle, plus ou moins au même moment, mais en utilisant des instruments différents qui capturent différents segments du spectre IR. Bien qu’en fin de compte les deux doivent être affichés en RVB, les différents objets et caractéristiques trouvés en inspectant des longueurs d’onde plus élevées peuvent être rendus visibles par ce type de méthode d’attribution des couleurs créative mais scientifiquement rigoureuse.

Et bien sûr, lorsque les données sont plus utiles en tant que données qu’en tant que représentation visuelle, il existe des façons encore plus abstraites de les considérer.

Une image d’une exoplanète lointaine peut ne montrer qu’un point, mais un spectrogramme montre des détails révélateurs de son atmosphère, comme vous pouvez le voir dans cet exemple juste au-dessus.

Collecter, transmettre, recevoir, analyser et présenter les données de quelque chose comme le Webb est une tâche complexe, mais à laquelle des centaines de chercheurs se consacrent avec joie et enthousiasme maintenant qu’il est opérationnel. Anticipez des façons encore plus créatives et fascinantes d’afficher ces informations – avec JWST qui vient de commencer sa mission à un million de kilomètres, nous avons beaucoup à attendre.