Images infrarouges : comment les rendre visibles ?

Pourquoi regarder dans l'infrarouge ?

Une fenêtre sur l'invisible

L'œil humain ne voit qu'une partie très fine du spectre lumineux, du violet au rouge. L'infrarouge se situe juste au-delà du rouge, avec des longueurs d'onde plus grandes que celles de la lumière visible. Le télescope spatial James-Webb (JWST) est conçu pour observer cette lumière, principalement dans ses domaines proche et moyen.

Percer les voiles de poussière

Les étoiles en formation sont souvent enveloppées de nuages de poussière et de gaz. Les grains de poussière absorbent et diffusent davantage la lumière visible que les grandes longueurs d'onde infrarouges : l'infrarouge permet donc de traverser ces nuages et d'observer les étoiles cachées derrière.

Grâce à ses instruments infrarouges (NIRCam, NIRSpec, MIRI, FGS/NIRISS), JWST peut aussi détecter les très faibles émissions thermiques des planètes extrasolaires, et étudier des objets qui ne brillent pas suffisamment dans le visible pour être détectés autrement.

Observer les confins de l'Univers

L'expansion de l'Univers étire les longueurs d'onde de la lumière émise par les objets lointains : leur lumière est décalée vers le rouge, puis passe dans l'infrarouge. Ce décalage, appelé redshift, est d'autant plus grand que l'objet est éloigné.

En 2025, JWST a confirmé la galaxie MoM-z14, avec un redshift de 14,44, observée environ 280 millions d'années après le Big Bang : c'est, à ce jour, la galaxie la plus lointaine dont la distance a été confirmée par spectroscopie. Ce record a déjà été battu plusieurs fois par le télescope lui-même, et il pourrait l'être à nouveau.

Un télescope refroidi jusqu'au bout

Pourquoi le froid est indispensable

Un instrument infrarouge doit être maintenu à très basse température, sinon sa propre chaleur noierait le faible signal venant de l'espace. Les instruments du JWST fonctionnent autour de 40 K (environ −233 °C), et un grand bouclier solaire protège l'ensemble de la chaleur du Soleil et de la Terre.

Le cas particulier de MIRI

L'instrument MIRI, qui observe l'infrarouge moyen jusqu'à 28 µm, exige un froid encore plus intense : il est maintenu à moins de 6,7 K, soit environ −266 °C, grâce à un cryoréfrigérateur embarqué. Sans cette précaution, il serait aveuglé par sa propre émission thermique.

De l'infrarouge aux couleurs visibles

Le traitement des données brutes

Les données infrarouges captées par les instruments sont traitées et converties en couleurs à l'aide d'algorithmes informatiques. Ces couleurs ne correspondent pas aux couleurs réelles de l'objet observé, mais à des intensités mesurées dans des bandes de longueurs d'onde précises. Le JWST enregistre en réalité des images en niveaux de gris, une par filtre.

Le STScI, qui gère les images de Webb, préfère parler de couleurs représentatives plutôt que de fausses couleurs : les teintes traduisent une réalité mesurée, sans prétendre restituer ce que verrait un observateur placé à proximité de l'objet.

L'ordre chromatique

Le domaine infrarouge se découpe en trois sous-domaines : l'infrarouge proche (0,75 à 1,5 µm), l'infrarouge moyen (1,5 à 30 µm) et l'infrarouge lointain (30 µm à 1 mm). Le JWST couvre surtout les deux premiers.

Les longueurs d'onde infrarouge sont ensuite converties dans les couleurs de l'arc-en-ciel, selon un principe appelé "ordre chromatique" : les plus longues reçoivent les teintes rouges, les plus courtes les teintes bleues. Cette approche permet d'améliorer la communication des informations : les mêmes couleurs représentent les mêmes informations d'une visualisation à l'autre, et les images restent agréables à regarder et à comprendre.

La transposition des longueurs d'onde

Pour cela, les développeurs en imagerie décalent les longueurs d'onde infrarouge vers la partie visible du spectre, afin que nos yeux puissent les distinguer. C'est exactement comme la transposition d'un air joué au piano dans une tonalité différente : le pianiste change la hauteur de toutes les notes d'un intervalle constant, tout en préservant les relations entre ces notes. Dans les deux cas, la mélodie reste la même.

L'application des filtres

Les spécialistes en traitement d'images appliquent ensuite des filtres : un filtre rouge sur la longueur d'onde la plus lointaine, un filtre vert sur la longueur d'onde moyenne, un filtre bleu sur la longueur d'onde la plus proche, et parfois un filtre de bande étroite colorisé en orange. Les légendes publiées par la NASA précisent d'ailleurs le filtre associé à chaque couleur : pour la nébuleuse de la Tarentule vue par NIRCam, F090W est bleu, F200W vert, F335M orange et F444W rouge.

Après avoir superposé les filtres, les développeurs obtiennent une première image colorisée, plus intéressante mais pas encore esthétiquement satisfaisante. C'est là que la créativité humaine intervient : les développeurs en imagerie font appel à leur sens artistique, en dialogue avec les scientifiques.

Au cours de ces manipulations, les détails et la qualité s'améliorent progressivement. Les retouches renforcent le contraste et la netteté sans modifier l'information : elles peuvent retirer bruit et artefacts, mais elles n'inventent aucun objet absent des données. L'objectif reste avant tout de produire une image belle à regarder, fidèle aux mesures.

La Tarentule s'habille de lumière infrarouge

La nébuleuse de la Tarentule révélée

Située dans le Grand Nuage de Magellan, à environ 161 000 années-lumière, la nébuleuse de la Tarentule (30 Doradus) est la plus grande et la plus brillante région de formation d'étoiles du Groupe local, l'ensemble des galaxies proches de la Voie lactée. La caméra proche infrarouge (NIRCam) de Webb dévoile des dizaines de milliers d'étoiles jeunes jamais observées auparavant, cachées par la poussière.

Quand le moyen infrarouge perce la poussière

Dans l'infrarouge moyen observé par MIRI, la région change d'aspect : les étoiles chaudes du centre s'estompent, tandis que le gaz et la poussière plus froids deviennent visibles. Des points de lumière signalent des protoétoiles encore enfouies, qui continuent d'accumuler de la matière.

Une étoile qui sort de son cocon

Les observations du spectrographe NIRSpec, en spectroscopie à champ intégral, ont permis de préciser une structure d'apparence bulleuse repérée sur l'image de NIRCam. Les spectres montrent qu'il ne s'agit pas d'une bulle soufflée par une jeune étoile, mais du sommet d'un pilier dense de gaz et de poussière, sculpté par le rayonnement des étoiles massives voisines. L'étoile, encore protégée par ce cocon, commence tout juste à en sortir.

Et demain ?

Le relais du télescope Nancy Grace Roman

Le télescope Nancy Grace Roman de la NASA sera lui aussi un télescope infrarouge, mais conçu pour observer de vastes portions du ciel plutôt que des cibles isolées. Son lancement est envisagé dès la fin de 2026. Il complétera le JWST, qui excelle dans l'étude détaillée d'objets précis, par des relevés à grande échelle.

Ce qu'il faut retenir

Une clé de la cosmologie moderne

En somme, l'observation en infrarouge s'impose comme une clé indispensable de la cosmologie moderne : elle révèle des régions que la lumière visible ne peut atteindre, perçant les voiles de poussière qui dissimulent les nurseries stellaires, et dévoilant des objets froids et lointains que toute autre méthode laisserait dans l'ombre.

Une fenêtre sur l'invisible

Grâce à cette fenêtre sur l'invisible, les astronomes peuvent désormais retracer la naissance des étoiles, scruter l'atmosphère des exoplanètes, reconstituer l'assemblage des galaxies sur des milliards d'années et approcher les tout premiers chapitres de l'évolution de l'Univers.