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Nos outils pour sonder l'univers

L'astronome Debra Fischer capturant la lumière tombant des étoiles à travers la lunette de l'Observatoire Chabot. Photo en hommage au photographe Carter Roberts (1946-2008), auteur de ce portrait allégorique.

Les arpenteurs du ciel (I)

Alors que le jour s'éteint, sur le promontoire d’une montagne aux avant-postes de l'univers, une coupole s'entrouvre. Dans l'ouverture rougeâtre se dessine un télescope aux dimensions peu communes. Quelques instants plus tard l'oeil brillant du géant s'anime, portant son regard vers l'infini. Machinalement nous suivons ses mouvements et une question vient naturellement à notre esprit : Que cache le firmament ?

Il fut une époque où cette question était débattue d'un stricte point de vue philosophique, même métaphysique. Mais depuis que l'homme "s'est juché sur des épaules de géants" comme le dit Newton ses investigations lui permirent d'accéder à l'envers du décor cosmique. Ces découvertes permirent aux hommes de sciences de déduire une série de théories qui expliquent tant bien que mal - plutôt même bien - le comportement de la Nature et du cosmos.

Malgré nos lois parfois très austères, on ne peut que s'émerveiller devant notre compréhension du spectacle de l'Univers. Nous nous délectons de sa beauté et quelque part en nous, nous préservons ce regard du poète.

L'astronomie reste une science de l'aventure. On parcourt près de la moitié de la Terre pour observer une occultation d'astéroïde dans un atoll de Polynésie; on s'enfonce dans le continent Antarctique pour récolter des météorites inviolées par les déchets chimiques; on monte en ballon stratosphérique pour assister à une éruption solaire chromosphérique exceptionnelle dans le rayonnement ultraviolet; on émigre dans le désert du Nouveau Mexique pour écouter la musique des étoiles et déceler une autre forme de vie dans l'univers; on s'installe sur des sommets enneigés à plus de 4000 m d'altitude pour mener à bon terme un programme d'astronomie. Enfin, nous n'hésitons pas à déposer nos hommes sur la Lune, appareils photographiques aux poings !

Cette aventure du ciel et de l'espace est actuelle. Grâce aux télescopes, aux radiotélescopes et surtout aux satellites en orbite autour de la Terre pointés vers des régions du ciel inaccessibles depuis le sol, l'astronome s'est permis d'imaginer que tout lui était à présent accessible et sa soif de connaissance en fut décuplée.

Parfois après plus d'un siècle d'interrogations, d'enquêtes et d'analyses, confrontant ses résultats avec ceux de chercheurs d'autres disciplines, l'astronome a enfin découvert ce qui a formé le Meteor Crater et la nébuleuse du Crabe, il a compris la nature véritable des comètes, il connaît le passé du système solaire et sait que le Soleil finira par s'éteindre, il sait interpréter le rythme des pulsations du coeur des pulsars, il comprend la musique des aurores et les sifflements de la géomagnétosphère de Jupiter, il sait que l'étoile Eta Carina est en train de souffrir et finira par exploser, il a observé des nébuleuses aux couleurs vives et plus chaudes que la surface du Soleil, il a vu une galaxie primitive âgée de plus de 13 milliards d'années, des étoiles brillant comme cent mille soleils (Pistol), il a vu des vents de tempête sur Mars qui soulevaient le sable à plus de 500 km/h, des cyclones sur Jupiter aussi vaste que la Terre, il a découvert des exoplanètes sur lesquelles coule peut-être de l'eau liquide et a même découvert une étoile en diamant (V886 du Centaure) !

A consulter : Comment devenir astronome ?

Les hauts-lieux de l'astronomie moderne. Ci-dessus, panorama des télescopes installés à 2635 m d'altitude au sommet du mont Paranal au Chili. Sur la gauche se trouvent trois des quatre télescopes VLTI auxiliaires de 1.8 m de diamètre et à droite les quatre télescopes de 8.2 m du VLT. Ci-dessous à gauche, le télescope Gemini North de 8.1 m installé à 4200 m au sommet du Mauna Kea. A droite, les télescopes Subaru de 8.2 m et Keck I et II de 10 m également installés à Mauna Kea. Documents ESO, NOAO et Michael Jo.

Dans la salle de contrôle de l'observatoire, un pic d'émission vient d'apparaître sur l'écran de son ordinateur : le satellite en orbite polaire est là, prêt à lui débiter ses informations durant 5 minutes.

Jusqu'en 1970 environ, cet astronome était un professionnel, militaire ou civil attaché à un centre international de recherche. Aujourd'hui, aidé par l'informatique et une miniaturisation toujours plus poussée nous découvrons un amateur, fou d'astronomie peut-être, mais épris par l'une des plus belles sciences. Une science qui débuta dans les temps immémoriaux quand les hommes observèrent la succession des saisons, le mouvement de la Lune et des étoiles errantes parmi les constellations.

Cette curiosité pleine de poésie qui entoure l'astronomie est symbolisée de nos jours par la grâce des paraboles des radiotélescopes orientées vers le ciel et les coupoles scintillantes des observatoires érigés ci et là.

Tout cela a débuté dans l'isolement de quelques génies, observateurs et constructeurs, qui transcrivirent sur le papier les nouvelles idées qui parcouraient leur esprit, en éprouvant le même sentiment qu'un observateur ressent quand il découvre une nova ou une comète : être le seul à l'avoir fait, comme lui souhaitant la bienvenue. Cette grisante aventure porte un nom : le feu sacré et quelquefois, le génie.

Quand les amateurs se lancent des défis

A gauche, un exemple parmi d'autres d'astronome amateur au service des professionnels. L'Américain Tim Pucket participe au programme de recherche des supernovae avec un télescope Ritchey-Chrétien de 615 mm f/8. Cet instrument d'exception est asservi électroniquement et équipé d'une caméra CCD. A droite, le miroir de 1 mètre de diamètre du dobsonien de Steve Swayze.

Pour cerner les problèmes que nous posent les astres, rien de tel que de s'en rapprocher le plus possible. Quels moyens la science met-elle à notre disposition ?

L'astronome dispose principalement du télescope et de la lunette astronomique qui captent les rayons lumineux, le spectroscope qui nous renseigne sur la nature chimique des astres, le radiotélescope qui capte les ondes radios, enfin l'astronautique qui offre le plus d'avantages ainsi que nous allons le découvrir.

Nous verrons qu'aujourd'hui tous ces instruments sont indissociables de l'informatique, qu'il s'agisse du guidage, de l'enregistrement ou du traitement des données.

Lunette et télescope

Rappelons brièvement l'histoire de la lunette astronomique et du télescope et la différence fondamentale qui existe entre ces deux instruments

Les historiens considèrent que la lunette astronomique fut inventée un jour de septembre 1608 par le lunetier hollandais Hans Lippershey[1]. Cet instrument terrestre aux performances modestes grossissait 4 fois et disposait d'un objectif composé de deux lentilles, l'une convexe pour agrandir l'image, l'autre concave pour assurer sa netteté. Tellement simple à construire et donc libérée des brevets de propriété, sa construction appartenait au domaine public. En quelques semaines, on la retrouva dans les pays limitrophes où elle fut imitée.

En 1609, plusieurs exemplaires parvinrent en Italie où Galilée l'améliora pour observer le ciel. Il la commercialisa à son tour, expédiant de magnifiques répliques à ses amis et relations dans toute l'Europe. Son instrument grossissait 30 fois, "si excellent écrivait-il, que ce qu'on observe à travers lui apparaît près de mille fois plus grand [...] que si on le voit seulement grâce à la vision naturelle "[2]. Grâce à son invention, les découvertes astronomiques se succéderont sans jamais fléchir.

A lire : Quel télescope acheter et pour quel usage ?

Document Gregg Dinderman/S&T adapté par l'auteur.

Dans une lunette astronomique, la lumière est recueillie par un objectif formé par la juxtaposition de plusieurs lentilles à indices de réfraction[3] différents, de façon à corriger les aberrations chromatiques, de sphéricité et l'astigmatisme qui produisent des images irisées ou déformées.

Un problème technique, délicat à résoudre, concerne la pureté du verre à travers lequel la lumière doit passer sans subir la moindre perturbation. Les lentilles formant l'objectif n'étant maintenues que par leur profil, eu égard à leur poids il s'avéra rapidement impossible de construire des lunettes de grand diamètre car les déformations du verre les rendaient inutilisables. Les plus grandes atteignent malgré tout un mètre de diamètre (Observatoires de Paris, Lick, Yerkes, etc.).

Le grossissement est effectué par l'oculaire constitué d’un ensemble optique convergent. Il se calcule en divisant la distance focale de l'objectif par la distance focale de l'oculaire ou du système optique équivalent.

Le télescope fut amélioré par Newton en 1671 et comporte un objectif à miroir. Il exploite le principe de la réflexion de la lumière, déjà découvert au VIIIe siècle avant notre ère[4]

L'objectif est constitué d’un miroir concave taillé dans un verre à faible dilatation, très homogène et de forme généralement parabolique, la seule courbure utilisable pratiquement car elle focalise en un seul point focal[5].

Un problème important et qui se pose immédiatement lors de l'utilisation des miroirs, est celui de la déformation des images. Pour éviter les déformations mécaniques, le miroir peut être entièrement supporté par un barillet. Mais nous verrons qu'on peut également profiter de la souplesse des miroirs ultraminces pour neutraliser les effets de la turbulence. Le miroir est ensuite soigneusement poli et recouvert d'une fine pellicule métallisée et antireflet. Nous y reviendrons dans un autre article.

Dans un télescope amateur, que ce soit un modèle catadioptrique de 20 cm (gauche) ou le Dobson de 1.5 m de diamètre de Russell Genet (centre), on éprouve du plaisir à observer le ciel, à porter l'oeil à l'oculaire et à manipuler la monture, éventuellement avec l'assistance d'un système de guidage automatique (Goto). En de rares occasions, certains amateurs n'hésitent pas à s'équiper de moyens informatiques et vidéos (droite) et ne touchent même plus à leur télescope. A l'image des astronomes professionnels, ils perdent ainsi tout ce qui fait la magie de l'astronomie : la manipulation de l'instrument et le contact direct avec les astres qui scintillent ou s'agitent dans l'oculaire.

La lumière d'une étoile qui tombe sur le miroir principal est réfléchie vers un miroir auxiliaire qui assure la transition vers l'oculaire. A l'inverse des lentilles, les optiques à miroir ne présentent pas d'aberrations chromatiques, d'où leur utilisation de préférence pour la photographie du ciel. En revanche, la présence d'une obstruction centrale (celle du miroir secondaire de renvoi) affecte la qualité de l'image en réduisant son contraste. On y reviendra dans les articles consacrés au choix d'un télescope et à la qualité des optiques.

Finalement, tous ces effets combinés font que le piqué d'une image prise avec un télescope est inférieur à celui d'une lunette astronomique de même diamètre. Pour y remédier et améliorer la qualité des images prises au télescope, on développa des techniques alternatives : taille réduite du miroir secondaire (< 25 % du diamètre), optique adaptative, interférométrie, traitement d'image, etc. Grâce à ces techniques, même la turbulence atmosphérique peut-être neutralisée, offrant enfin aux astronomes des images du ciel presque aussi nettes et détaillées que celles prises depuis les observatoires spatiaux. On y reviendra.

L'astronomie professionnelle

Quand on voit la taille des petits instruments d'astronomie vendus dans les magasins spécialisés, ils n'impressionnent que les novices. En revanche, un télescope de 200 mm de diamètre mesurant entre 1.5 et 2 m de hauteur comme celui présenté ci-dessus à gauche intimide déjà un amateur averti par ses proportions et la qualité de ses images.

Alors imaginez un télescope de 1.5 m à 1.8 m d'ouverture comme certains amateurs en ont construit (voir l'article sur les télescopes de Dobson). C'est démesuré et très impressionnant. Ce l'est plus encore quand on sait que malgré un poids supérieur à 100 kg on peut le manipuler seul. Celui qui à la chance d'observer le ciel à l'oculaire d'un tel géant s'en souvient toute sa vie tellement le spectacle est éblouissant, dans tous les sens du terme (cf. ces images de Jupiter et de M13 prises à travers des télescopes de différents diamètres).

Maintenant imaginez un télescope abrité sous une coupole grande comme un building ! Comme on le voit ci-dessous, à la fin du XIXe siècle les ingénieurs-opticiens n'ont pas hésité à fabriquer des lunettes astronomiques géantes dont l'objectif mesurait 83 cm de diamètre (Observatoire de Paris), 91 cm (Observatoire de Lick) et même le record de 102 cm de diamètre (Observatoire de Yerkes). Certaines d'entre elles sont toujours utilisées, certes plus pour observer ou photographier le ciel profond mais surtout pour étudier la banlieue de la Voie Lactée et les objets proches comme les astéroïdes.

Les lunettes astronomiques de la fin du XIXe siècle. A gauche, la grande lunette de l'Observatoire de Paris utilisée entre 1896-2000. L'instrument est constitué de deux lunettes mises en parallèle, l'une de 83 cm f/20 servant à l'observatoire visuelle, la seconde de 62 cm f/26 servant à la photographie. Cet instrument permit notamment à Antoniadi d'étudier la planète Mars et de lever le mystère des "canaux" et à d'autres spécialistes d'étudier les étoiles, notamment les novae. Au centre, "la grande équatoriale", la lunette de 0.91 m (36") de l'Observatoire de Lick construite entre 1876-1887 et utilisée par Herbert Curtis. Grâce à des mesures anti-pollution lumineuses à Los Angeles, elle est toujours opérationnelle. A droite, la lunette de 102 cm (40") de l'Observatoire de Yerkes construite en 1897. C'est la plus grande du monde. Les astronomes l'utilisent encore pour étudier la Voie Lactée et les astéroïdes géocroiseurs (EGA et NEO). Documents Serge Golovanow/WIkimedia, Laurie Hatch et Josef Salgado.

 En raison de leur situation souvent proches des grandes villes et de leur pouvoir séparateur limité, aujourd'hui ces grandes lunettes astronomiques d'autre âge sont reléguées à des tâches annexes au profit des grands télescopes à miroir. Ainsi, en Californie, à quelque 80 km au sud de Pasadena se trouve l’un des télescopes les plus prestigieux du monde qui resta longtemps sans rival : le télescope Hale de 5 m de diamètre du mont Palomar. Cet instrument très impressionnant permet d’explorer les profondeurs de l'Univers avec une telle résolution qu’il a servit de modèle aux plus grands télescopes actuels : les BTA-6, Magellan et MMT (~6 m de diamètre), les VLT, Gemini et Subaru (~8 m de diamètre), les Keck (9.8 m de diamètre) et GTC (de 10.4 m de diamètre), et aux télescopes quatre fois plus grands dans quelques années !

Mais signe du progrès et par nécessité, depuis plus d'un demi-siècle, plus aucun astronome ne met l'oeil à l'oculaire de ces télescopes géants, qui de toute façon ne sont pas équipés pour cet usage, le capteur CCD grand comme une valise ayant remplacé l'oculaire depuis déjà quelques décennies. Seuls les télescopes de 1 à 2 m de diamètre et les grandes lunettes astronomiques de plus d'un mètre de diamètre sont encore équipées d'un oculaire et d'une lunette de guidage. Mais leur usage devient anecdotique.

Les premiers grands télescopes du XXe siècle. A gauche, le télescope Hooker de 2.5 m (100") du mont Wilson construit entre 1896-1904 et utilisé notamment par Edwin Hubble. Fermé en 1986, il fut équipé d'une optique adaptative en 1992 et est toujours utilisé. Son pouvoir de résolution atteint 0.05". A droite, le télescope Hale de 5.08 m (200") du mont Palomar. Il est aujourd'hui équipé d'une optique adaptative PALM-3000 portant sa résolution à 16 mas soit 0.016". Documents Tom Bejgrowicz et Palomar/Caltech.

L'entraînement motorisé des télescopes a également évolué. Les axes de la monture des télescopes professionnels comme ceux de 8.2 m du VLT ne sont plus entraînés par des roues dentées et des pignons mais par des moteurs "direct drive" sans pièce mécanique : la transmission est assurée par champs magnétique. Les montures haut de gamme des télescopes amateurs ont hérité de cette technologie.

Une autre différence par rapport aux amateurs est que les professionnels contrôlent le bon déroulement des opérations depuis une salle de contrôle comme on le voit ci-dessous située près du télescope ou parfois située à des milliers de kilomètres de distance de l'instrument. Mais ici encore, certains amateurs d'astrophotographie ou de vidéos ont également informatisé leur installation ou mis au point des télescopes robotisés, certains étant même accessibles depuis Internet.

Dans le cas des astronomes professionnels, comme on le voit ci-dessous, ces salles de contrôle ont une superficie qui dépasse rarement celle d'un studio et les opérateurs n'ont généralement pas de contact visuel direct avec le télescope ni avec les étoiles. Seules les salles des radiotélescopes sont généralement en contact visuel avec l'instrument. Les astronomes et les ingénieurs y passent toute leur journée ou toute leur nuit sans même voir le ciel sinon durant les pauses.

A voir : Les salles de contrôle en images

De Cap Kennedy au NORAD

Ci-dessus à gauche, la salle de contrôle (vue de la partie gauche) du VLT de 8.2 m au Chili pendant la journée, au cours de la calibration du télescope le 14 mars 2009. A droite, la salle de contrôle du télescope australien AAT de 3.9 m (et l'ancienne configuration). Ci-dessous, la salle de contrôle du télescope Gemini South de 8.1 m installé au Chili. Revers des avantages de la haute technologie, il n'y a plus d'oculaire et de contact direct avec le ciel. Les étoiles ne brillent que d'un éclat terne et figé sur les images des écrans d'ordinateurs. Documents ESO, AAO et Chandra.

Le fonctionnement et l'entretien d'un télescope comme celui du VLT n'a plus rien à voir non plus avec celui des petits télescopes amateurs et se rapproche plus de celui d'une machine ou d'un complexe industriel. Au VLT, pour un 1 astronome il y a 20 hommes en coulisse et 40 minutes de préparation chaque soir avant de pouvoir utiliser le télescope.

Quand vous vous trouvez sous le miroir primaire d'un tel instrument, vous n'avez même pas l'impression qu'il s'agit d'un télescope tellement tout est démesuré, câblé, boulonné et robotisé. Même son abri ressemble plus à un hangard qu'à un observatoire. Il faut prendre du recul ou de la hauteur pour retrouver l'image traditionnelle du télescope équipé de son grand miroir réfléchissant la lumière abrité sous sa coupole.

C'est vraiment une expérience où chacun prend conscience à quel point un gouffre technologique et temporel nous sépare de Galilée et de Newton. Un télescope comme le VLT capte 70000 fois plus de lumière que la petite lunette de Galilée !

Paradoxalement, cette perte de contact avec la nature est le prix à payer pour mieux la comprendre. L'escalade vers le gigantisme et l'informatisation tout azimut sont le signe que l'astronomie est passée de la contemplation et du loisir à la science appliquée la plus sophistiquée.

Mais qu'ils soient amateurs ou professionnels, tous les astronomes ont la tête dans les étoiles et qu'une seule idée en tête : comprendre l'univers et découvrir ce que cache le firmament. Pour y parvenir, les ingénieurs se sont lancés de nouveaux défis technologiques. C'est l'objet du prochain chapitre.

Prochain chapitre

Les défis technologiques

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[1] Pour sa part Simon Mayr stipula qu'un certain Janssen vendait des lunettes à la foire d'automne de Francfort en 1608. A.Danjon et P.Couder mentionnent dans "Lunettes et télescopes" (éd.1990 p592) que le florentin Raffaello Gualterotti possédait déjà une longue-vue en 1598. Sur l'histoire de la lunette lire A.Van Helden, "The Invention of the telescope", Transactions of the American Philosophical Society, 67, 4, 1977 et les informations sur le site du Musée Galileo de Florence.

[2] Galilée, "Le messager céleste -Sidereus Nuncius -", 1610, réédité aux éd.Les Belles Lettres, trad.I.Pantin, 1992, p7.

[3] Ce phénomène fut mis en évidence en 1621 par Snellius et démontré théoriquement par Descartes en 1637.

[4] L'historien Plutarque (50 de notre ère) rapporte que vers 700 avant notre ère le deuxième roi de Rome, Numa Pompilius confiait la garde du feu aux Vestales. Le 1er Mars, le feu était ranimé avec un "vase creux [orienté] droit contre le Soleil", c'est-à-dire au moyen d'un miroir hémisphérique.

[5] Les miroirs sphériques ne focalisent pas l'image en un seul point; le foyer s'étale en forme de "caustique", rendant l'image floue et sombre en périphérie du champ.


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