Clefs n°58 Automne 2009
Clefs n°58 Automne 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°58 de Automne 2009

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 168

  • Taille du fichier PDF : 7,3 Mo

  • Dans ce numéro : dans les secrets de l'Univers.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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136 Des outils pour sonder l’Univers L’analyse des données en astrophysique Pour un astrophysicien, le signal traduit l’information émise par une source et qu’il doit interpréter. Grâce à l’informatique, le traitement du signal connaît depuis une dizaine d’années des développements spectaculaires qui permettent aux astrophysiciens de valider, affiner ou remettre en question la compréhension de l’Univers. Simulation de six jours de données du satellite GLAST (pour Gamma-ray Large Area Space Telescope), rebaptisé Fermi Gamma-Ray Space Telescope. Bande d'énergie comprise entre 0,1 et 1 GeV, filtrée par l'algorithme MR-filter à base d'ondelettes. P CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 ar suite de l'évolution des détecteurs qui touche toutes les longueurs d'onde, l'analyse des données occupe une place de plus en plus prépondérante en astronomie. Le flux de données Si, en 1980, les Charge Coupled Device (CCD ou dispositifs à transfert de charge) affichaient une taille de 320 x 512 pixels, les astronomes disposent aujourd’hui de véritables mosaïques de CCD équivalant à 16 000 x 16 000 pixels. Les méthodes ont progressé au point que l’engagement humain et financier pour traiter les données d'un instrument peut atteindre l’ordre de grandeur de la réalisation de l'instrument lui-même. Par exemple, la caméra ISOCAM équipant l'Observatoire spatial infrarouge (ISO) a nécessité l’élaboration de logiciels de commande, d'analyse en temps réel et en temps différé : soit 70 hommes.an alors que 200 hommes.an suffisaient pour la construction de la caméra. L’effort consenti pour le projet Planck s’avère encore plus important. De plus, la quantité de résultats – parfois plusieurs centaines de téraoctets – fait appel à des bases de données et au développement d'outils sophistiqués (figure 1). Les connaissances donnent lieu à de nouvelles questions dont la résolution s’appuie sur l’observation d’un objet ou d’une région du ciel. L'analyse de données intervient lors de la calibration de ces données, de l'extraction de l'information ou de la manipulation des bases de données. Des études statistiques permettent aussi d'enrichir la connaissance : c’est le cas pour les études sur le nombre de galaxies d'une luminosité donnée par unité de volume. On appelle « connaissance » l'ensemble des théories relatives à l'astronomie (formation d'étoiles, de galaxies, cosmologie...), les bases de données d’objets, d'images et les catalogues, autrement dit la liste des objets détectés avec un instrument dans une région du ciel. Cette connaissance, qu’il s’agisse des articles ou des bases de données, se trouve le plus souvent disponible sur l’Internet. Selon l'instrument, les données se présentent sous forme d’images, de spectres, de mesures photométriques. En général, les astronomes disposent d'un ensemble de données d'une région ou d'un objet d’étude – plusieurs images à différentes longueurs d’onde par exemple. Mettre en orbite des instruments (Hubble, Rosat, ISO, Soho...) présente l’avantage d’éviter les contraintes atmosphériques. Le processus nécessite plusieurs étapes. En premier lieu, vient la phase de calibration indispensable pour corriger les effets instrumentaux des données grâce à plusieurs opérations : • la correction du zéro (Dark) : en l'absence de lumière, les valeurs renvoyées par le détecteur ne sont jamais nulles à cause des effets électroniques et il faut donc soustraire le niveau « zéro » aux données ; CEA
CONNAISSANCES - livres - articles scientifiques - bases de données de spectres et d’images - catalogues simulation Numérique QUESTIONS objectifs scientifiques observations calibration des données extraction d’informations Figure 1. Le flux d'information situe les niveaux où intervient l'analyse de données. Il permet de mieux comprendre à quels niveaux intervient cette analyse de données. À partir des connaissances, de nouvelles questions se posent et il est nécessaire de procéder à des observations d'un objet ou d'une région du ciel. Les données acquises vont devoir préalablement être calibrées, puis l'information utile à la réalisation de l'objectif scientifique doit être extraite. L'analyse de données intervient lors de la calibration, de l'extraction de l'information, et de la manipulation des bases de données. Il faut noter aussi que des études statistiques des bases de données permettent d'enrichir la connaissance (comme par exemple, les études du nombre de galaxies d'une luminosité donnée par unité de volume). On définit par connaissance l'ensemble des théories relatives à l'astronomie (formation d'étoiles, de galaxies, cosmologie...), les bases de données sur les objets, les bases de données d'images, et les catalogues (liste d'objets détectés avec un instrument sur une région du ciel). Cette connaissance est maintenant le plus souvent accessible par le réseau Internet (qu’il s’agisse des articles ou des bases de données).• la correction des variations de réponse (Flat) : à éclairement égal, le détecteur ne répond pas de la même manière en chaque pixel ; aussi faut-il normaliser les données en les divisant par la réponse du détecteur ; les paramètres du détecteur doivent être bien connus, sinon les erreurs de précision se répercutent sur les mesures. D'autres effets peuvent également être corrigés lors de cette première phase, comme la suppression des rayons cosmiques ou les effets de rémanence du détecteur ; toutes ces tâches étant plus ou moins ardues (figure 2). Une fois les données calibrées, la phase d'analyse peut alors commencer. Suivant les objectifs, plusieurs mesures peuvent alors se faire, par exemple, sur la détection des étoiles et des galaxies ou sur la mesure de leur intensité, de leur position, de différents paramètres morphologiques : des résultats à comparer ensuite aux catalogues existants. Il s’avère impossible de citer toutes les opérations réalisables sur une image astronomique et nous n'avons donc cité ici que les plus (1) Le bruit est une fluctuation d'intensité aléatoire qui se superpose aux données ; il provient en partie du détecteur et, en partie, des données. En plus des erreurs que le bruit peut amener sur les mesures, il gêne énormément lors de la détection d’objet et peut être responsable de nombreuses fausses détections. (2) L’image d'une étoile n'est pas un point, mais une tache. Cet étalement lié à l'instrument est appelé « réponse instrumentale ». Son principal effet consiste en une perte de résolution car les objets proches se mélangent. courantes. Mener à bien cette extraction d'informations, suppose de surmonter des obstacles comme le bruit (1) et « la réponse instrumentale » (2). Lorsque les informations utiles ont été extraites, elles sont confrontées à la connaissance en l’état. Cette étape valide, affine ou remet en question la compréhension de l'Univers. Le résultat final de cette réflexion se matérialise par la publication d’articles scientifiques paraissant dans des revues spécialisées. Le volume de connaissance croît donc rapidement et nécessite des outils performants pour l’exploiter. Ces outils font office de moteurs de recherche pour aider à rassembler les derniers articles parus, des méthodes pointues d'imagerie ou encore des algorithmes établissant une correspondance entre des objets détectés dans une image et une base de données (sachant qu’il y a des choix à faire quand plusieurs « candidats » se présentent). La difficulté réside, en particulier, dans le volume des bases de données. SIMBAD, un ensemble d'identificateurs, de mesures et de bibliographie pour les données astronomiques, développé par le Centre de données astronomiques de Strasbourg, regroupe des informations sur plusieurs millions d'objets, correspondant à des millions de mesures observationnelles, avec des millions de références bibliographiques. La taille des images fournies par les instruments de nouvelle génération rend quasiment impossible l'accès aux archives d'images par le réseau lorsque celles-ci n’ont pas été préalablement comprimées. La maîtrise et l'exploitation des bases de données représentent donc un enjeu important pour le futur. L'analyse statistique de catalogues amène, en outre, à contraindre les paramètres des modèles cosmologiques et donc à augmenter la connaissance. Par exemple, l'étude statistique des galaxies, individuellement différentes, révèle la présence de trois grandes familles (spirales, elliptiques et irrégulières), un peu comme les grains de sable d'une plage, tous différents, forment une zone homogène. La théorie du Compressed Sensing et le projet spatial Herschel Dans le cadre de certains projets spatiaux, il s’avère parfois impossible de transférer sur terre un volume important de données sans procéder à une com - pression de celles-ci. C’est le cas pour l’instrument Figure 2. La galaxie M51, vue par ISO, avant et après calibration. CLEFS CEA - N°58 - AUTOMNE 2009 137 DR



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