Application ` a l’imagerie d’Arp 220

Cette m´ethode est n´ee d’un besoin, celui de pouvoir conserver la r´esolution obtenue pendant les observations lorsqu’on a besoin de sommer un grand nombre d’images dont le RSB individuel est tr`es faible.

Ce besoin a pris tout son sens lors des observations d’Arp 220 un soir de Mars 2003 avec NACO sur l’un des 4 VLT. La nuit ´etait claire, l’air sec, l’esprit aiguis´e, des conditions parfaites pour une plong´ee dans l’univers IR. Tout se passait bien, jusqu’`a ce que ... on pointe le t´elescope vers cet objet distant.

Un rappel des caract´eristiques d´etaill´ees d’Arp 220 est donn´e dans la partie suivante, aussi je ne rappellerai ici que sa magnitude K : MK ≈11.5 r´epartie sur 4 `a 5 arcsec2. C’est un d´efi pour

les observations avec une OA. C’est une galaxie qualifi´ee d’ultra-lumineuse dans l’IR (ULIRG) car sa contrepartie visible est tr`es faible : MV ≈ 17 et peut donc ˆetre difficilement utilis´ee comme

source de r´ef´erence pour l’ASO.

NACO poss`ede un ASO IR qu’on va pr´ef´erer utiliser, esp´erant de meilleures performances, mais les conditions d’observations sont difficiles, la source ´etant `a la limite de d´etectivit´e de l’ASO, le niveau de fond doit en permanence ˆetre r´e-estimer. Comme on d´ecide de faire des observations dans l’IR thermique, @ 3.5µm, les performances en terme de correction sont donc assez bonnes. Malgr´e tout, on est limit´e `a un temps d’exposition tr`es court (0.125 s), qui ne permet pas d’atteindre un RSB suffisant pour faire de la science (voir figure 1.1). On est donc

1 Recentrage sub-pixelique - ´etude d’Arp 220

amen´e `a prendre une longue s´erie d’images ´el´ementaires, 85 au total, en ouvrant la boucle d’asservissement pour r´e-optimiser le niveau de fond r´eguli`erement et en entrant les coordonn´ees de d´eplacement (pour les acquisitions de ciel) `a la main ... pour un temps d’exposition total qui flirt tout juste avec les 1000 s ... la manoeuvre aura pris pr`es d’une demi-nuit et us´e jusqu’`a la corde l’un des plus grand sp´ecialiste de l’OA que je connaisse3 et l’auteur de ces lignes.

Le d´esespoir le plus total aurait pu s’abattre sur notre petit groupe d’astronomes, compte- tenu de la somme d’efforts d´eploy´es, `a la vue d’une si faible r´ecolte de photons, si le mˆeme auteur de ces lignes n’avait dans son disque dur la m´ethode fraˆıchement d´evelopp´ee, et pr´ec´edemment d´ecrite, prˆete `a enfin sortir de son isolement ´electronique pour ˆetre confront´ee `a Dame Nature.

Le regain d’optimisme se fit sentir lorsqu’ils press`erent enfin la touche return, synonyme du lancement de l’estimation MV des d´ecalages, apr`es avoir suivi le protocole de traitement d’images standard (correction de champ plat et de pixels morts). Ce mˆeme optimisme fut r´ecompens´e, lorsqu’ils obtinrent les images pr´esent´ees dans la figure 1.7.

Le r´esultat est sans appel pour la m´ethode CC. Comme le montre l’image du cadrant haut gauche, le nombre maximum de photons par pixel est comparable `a la variance du bruit r´esiduel. Dans ce cas de figure, les simulations nous ont montr´e qu’on ne pouvait esp´erer une pr´ecision sub-pixelique avec la m´ethode CC. Par contre, la m´ethode MV, comme le montrent les r´esultats de la simulation sur bruit mixte, permet d’atteindre cette r´esolution (autour de 0.5 pixel d’erreur d’apr`es la simulation). On comprend donc ais´ement que la qualit´e des images obtenues dans le cas des deux m´ethodes MV soit bien meilleure.

Fig. _{1.8 – Gros plan sur les moyennes circulaires des} TF des 3 images. L’axe des fr´equence est en unit´e de la fr´equence de coupure du t´elescope.

Outre une meilleure concentration de l’´energie sur l’objet et de fait, une r´eduction du bruit de fond, de nombreux d´etails morphologiques sont restaur´es grˆace aux m´ethodes MV. Deux sous- structures sont clairement identifi´ees `a l’Est de la source principale, li´ees `a cette derni`ere par deux structures fi- lamentaires distinctes. La source prin- cipale, allong´ee et l´eg`erement courb´ee est elle aussi bien mieux d´efinie. Il y a peu de diff´erence entre les r´esultats des 2 m´ethodes MV, comme pr´edit par la simulation, on note tout de mˆeme qu’avec la m´ethode jointe, les contours de l’image obtenue sont plus finement d´ecoup´es.

Une analyse plus quantitative peut ˆetre men´ee dans le plan de Fourier. En effet, un mauvais recentrage `a quelques

pixels pr`es a tendance `a adoucir l’image et donc `a r´eduire l’intensit´e contenue dans les hautes fr´equences spatiales. Comme le montre la figure ci-contre, le gain apport´e par les deux m´ethode MV est important d`es 0.05 fr´equence de coupure du t´elescope, est maximum autour de 0.15 et se poursuit jusqu’`a environ 0.5 fr´equence de coupure. La l´eg`ere am´elioration perceptible sur les

1.1 Le recentrage d’image sub-pixelique

Fig. _{1.7 – Image d’Arp 220 dans la bande L (3.5 µm) obtenue avec NaCo. Le quadrant haut} gauche contient une image courte pose. Le quadrant haut droit, le r´esultat de la moyenne des 85 images ´el´ementaires recentr´ees avec la m´ethode type CC. En bas `a gauche, la mˆeme s´erie, recentr´ee avec la m´ethode MV `a 2 images et moyenn´ee, et en bas `a droite recentr´ee avec la m´ethode MV `a n images. La repr´esentation est logarithmique et la table de couleur est gard´ee constante pour toutes les images pour permettre la comparaison.

1 Recentrage sub-pixelique - ´etude d’Arp 220

images entre la m´ethode `a 2 images et la m´ethode jointe est aussi visible sur cette figure. On a l`a une confirmation quantitative du gain dans la qualit´e d’image obtenue avec les m´ethodes MV, validant enti`erement sur des donn´ees exp´erimentales cette nouvelle approche du recentrage.

Le cas d’Arp 220 nous a confront´e `a un cas extrˆeme d’observations dans l’IR avec une OA. Cette derni`ere `a d’abord ´et´e pouss´ee jusqu’`a ses possibilit´es limites, pour r´ealiser les premi`eres images corrig´ees de cet objet dans l’IR avec un t´elescope de 8 m. La cam´era a produit des images `a la limite de la d´etectabilit´e. Enfin, une m´ethode sophistiqu´ee de traitement a dˆu ˆetre employ´ee pour b´en´eficier de ces efforts sur l’image finale. Les d´etails apparents sur cette derni`ere vont maintenant permettre de faire un diagnostic physique plus pr´ecis qu’il ne l’aurait ´et´e avec l’image du quadrant sup´erieur droit de la figure 1.7.