Prenons un miroir habituel dans lequel on se regarde tous les matins. L'image que l'on voit n'est pas déformée et est identique. De même, si l'on regarde à travers un carreau, nous voyons les objets par transparence sans déformation.
En donnant une forme particulière (une géométrie) à l'une ou aux 2 faces d'un miroir ou d'un morceau de verre, le trajet des rayons lumineux ne sera plus une ligne droite mais sera dévié et concentré...
La lunette astronomique
Petit historique de la lunette
La lunette a été inventée par des opticiens hollandais vers 1600. Lorsque Galilée découvre l'existence de l'instrument, il se met à construire d’autres lunettes et commence en 1609 à observer le ciel. Les découvertes qu’il fait sont considérables : satellites de Jupiter, taches solaires, phases de Vénus, montagnes et vallées de la Lune, étoiles innombrables dans la Voie lactée.
Evolution des positions des satellites de Jupiter - Dessins de Galilée
Elles l’amèneront à être convaincu du système proposé par Copernic en 1543, à savoir le système héliocentrique où les planètes (connues à l’époque) tournent autour du Soleil, à l’opposé du système géocentrique dans lequel tous les astres tournent autour de la Terre. En 1655, Christiaan Huygens identifie les anneaux de Saturne et découvre Titan, son plus gros satellite. En 1675, Jean-Dominique Cassini observe que les anneaux sont en fait constitués de 2 anneaux séparés par une division sombre qui porte aujourd’hui son nom laquelle est visible dans un petit instrument d’amateur.
L’évolution des lunettes
Depuis son invention jusqu’à la fin du XIXe siècle, la qualité optique des lunettes sera grandement améliorée. En parallèle, avec l’invention du télescope à miroir en 1667, le développement des instruments astronomiques se fera au profit du télescope, du fait de la difficulté de réaliser des lentilles de grands diamètres, critère définissant la puissance d'un instrument. Les plus grandes lunettes furent réalisées à la fin du XIXe siècle comme par exemple, celle de l’observatoire de Meudon avec 82 cm de diamètre et celle de l’observatoire de Yerkes aux États-Unis avec 102 cm de diamètre.
Principe des lunettes
La lunette est constituée de 2 lentilles en verre maintenues ensemble par un tube. La première lentille constitue l’objectif car elle est dirigée vers l’objet ou l’astre à viser. C’est elle qui collecte la lumière et forme une image de l’objet au foyer. Afin de pouvoir visualiser l’objet dans la lunette, l’image formée est agrandie par une seconde lentille appelée oculaire, car c’est près d’elle que l’on place l’œil.
La lunette grossit les objets éloignés, qui semblent être plus proches et dont les détails deviennent perceptibles.
Le télescope
Petit historique du télescope
Le premier télescope fut construit par Isaac Newton en 1667. Au cours du XVIIIe siècle, les progrès techniques permirent une rapide augmentation de taille du diamètre des miroirs. C’est avec un télescope de 15 cm de diamètre de fabrication personnelle que William Herschel « agrandira » le système solaire en découvrant Uranus en 1781, planète jusqu’alors inconnue.
Télescope construit par Newton
L’évolution des télescopes
Le XXe siècle verra la réalisation de télescopes aux dimensions ne cessant de croître : du télescope du Mont Wilson en Californie en 1918 avec un miroir de 2,54 m de diamètre aux télescopes Keck situés au sommet du volcan Mauna Kea à Hawaii dont chaque miroir est en fait une mosaïque de 36 petits miroirs de 1,80 m qui ensemble donnent un diamètre équivalent de 10 m.
L’observation depuis le sol est conditionnée par l’atmosphère qui constitue un écran limitant les performances de l’instrument mais également le champ d’exploration vis-à-vis d’autres domaines de lumière (rayonnement UV, X, infrarouge, radio).
Afin de pallier ces inconvénients, les scientifiques ont conçu des instruments pour observer depuis l’espace. Il s’agit notamment du fameux télescope spatial Hubble (dont le miroir ne fait que 2,40 m de diamètre) et des satellites d’observation (CoRoT par exemple). Pour les télescopes au sol, des systèmes de correction ont été développés (optique adaptative). Ces systèmes sont constitués d’un ensemble de petits pistons situés à l'arrière du miroir qui peuvent agir sur la forme de ce dernier et corriger la turbulence atmosphérique.
Principe des télescopes
Le principe de base d’un télescope est le même que celui d’une lunette, un système optique grossissant en concentrant les rayons lumineux et les renvoyant tous en un même point appelé le foyer. A la différence d'une lunette, un télescope ne comporte pas de lentilles pour concentrer la lumière, mais d'un miroir de forme sphérique ou parabolique. Ce dernier réfléchit la lumière vers un second petit miroir (exemple d'un type Newton) pour former l’image et agrandir celle-ci par un oculaire.
Principe d'un télescope type Newton
Nota : en pays anglo-saxons, on ne parle que de "refractor telescop" (la lunette chez nous) ou de "reflector télescop" (le télescope).
Les caractéristiques des instruments
Que ce soit une lunette ou un télescope, les caractéristiques qui les définissent sont semblables : il s'agit du diamètre et de la focale, ces 2 propriétés définissant le rapport d'ouverture.
Le diamètre
C'est lui qui fait la puissance d'un instrument. Plus il est grand, plus il collecte de la lumière laquelle sera amplifiée Un peu comme une bassine pour récolter de l'eau de pluie : plus sa taille sera large, plus il y aura de l'eau dedans.
Généralement, le diamètre D est exprimé en mm pour les instruments d'amateurs.
Le diamètre détermine également le pouvoir séparateur. Il s'agit de la capacité de l'instrument à séparer 2 étoiles très proches l'une de l'autre. On parle également de pouvoir de résolution.
La focale
Elle ne dépend pas du diamètre, car on peut avoir différentes focales pour un même diamètre. Elle correspond à la distance qui sépare l'objectif du foyer. Elle est également exprimé en mm.
Le rapport d'ouverture
Il s'agit du rapport de la focale par le diamètre : F/D. Prenons tout de suite 2 exemples de télescopes avec des configurations optiques différentes : un télescope type Newton de diamètre 200 mm et une focale de 800 mm et un télescope type Schmidt-Cassegrain de diamètre 200 mm et une focale de 2000 mm.
Principe d'un télescope Schmidt-Cassegrain :
Comparons les rapports d'ouverture :
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Télescope
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Rapport d'ouverture
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Newton 200/800
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4
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Schmidt-Cassegrain 200/2000
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10
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Lorsque le rapport est inférieur à 7, on dit que l'instrument est lumineux, au delà, il est peu lumineux.
Mais comment des instruments dont le diamètre est le même, collectant autant de lumière, peuvent avoir des luminosités "différentes" ?
En fait, c'est la focale qui intervient, car c'est elle qui donne la taille d'image au foyer de l'instrument, image qui sera ensuite grossie par un oculaire.
En photographie, si vous voulez vous rapprochez d'un sujet, il faut augmenter la focale (cf. les gros zooms des photographes de sports...). En astronomie, la focale intervient de façon identique sur la taille de l'image de l'astre au foyer (sauf pour les étoiles qui restent toujours ponctuelles).
La quantité de lumière collectée s'étale sur toute l'image formée au foyer. Si la focale est grande, alors l'image est grande, mais la lumière est répartie sur une grande surface. Alors que si la focale est petite, l'image est plus petite, mais est plus lumineuse car la lumière est alors répartie sur une plus petite surface.
Les oculaires
Un oculaire est une pièce constituée de plusieurs lentilles. Le nombre varie entre 2 et 8 lentilles voire plus... et détermine ses performances et le prix...
L'oculaire est la pièce qui permet de grossir l'image formé au foyer et de rendre visible à nos yeux cette image. Sans entrer dans le détail, l'image formée au foyer est une image dite "réelle" en optique. On ne peut la voir que sur un écran. Vous pouvez tenter la chose en pointant la Lune, et mettre un bout de papier à la place de l'oculaire, vous verrez l'image de la Lune. Si vous essayer d'observer dans l'instrument sans oculaire, tout ce que vous voyez, c'est de la lumière de la Lune, mais pas d'image...
L'oculaire va fournir une image dite "virtuelle", on ne peut pas la projeter sur un écran, mais nos yeux peuvent la voir. Précisons que l'oculaire fournit aussi une image réelle mais située plus loin dans l'axe optique de l'instrument, ce qui permet par exemple d'observer par projection le Soleil (cf. le montage avec la lunette Telementor de la SAB).
Le grossissement G fourni par un oculaire dépend de sa focale (f). Sans partir dans des démonstrations, le grossissement correspond au rapport de la focale de l'instrument sur la focale de la lunette.
G = F/f
De quels oculaires a-t-on besoin ?
Généralement, il est utile de disposer de plusieurs oculaires pour avoir plusieurs grossissements. Prenons nos 2 télescopes. Voici les grossissements que l'on obtient selon les focales d'oculaires (exemples) :
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Newton 200/800
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Schmidt-Cassegrain 200/2000
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Focale oculaire
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Grossissement
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Grossissement
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35 mm
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23 x
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57 x
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25 mm
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32 x
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80 x
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12,5 mm
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64 x
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160 x
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5 mm
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160 x
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400 x
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On remarque que si on veut vraiment grossir, c'est plus difficile avec un Newton qu'avec le Schmidt-Cassegrain. La faute à la focale de l'instrument.
1) Il est important de préciser que plus on grossit, plus on perd de la luminosité... (cf. rapport d'ouverture) et également du champ (cf. taille de l'image) ;
2) il existe en optique des limites au grossissement. Au delà de 2,5 fois le diamètre de l'instrument, on commence à voir flou... la course au grossissement comme pour des instruments d'entrée de gamme en plastique est vaine ;
3) il vaut mieux avoir une image moins grossie mais nette. Il ne faut pas oublier que s'il y a de la turbulence, celle-ci est aussi amplifiée...
4) on emploiera donc des grossissement faibles (0,7 x le diamètre) à moyen (1 x le diamètre) pour le ciel profond et des grossissements plus importants pour la Lune et les planètes (1,5 à 2 x le diamètre).
5) l'utilisation d'une lentille de barlow peut être intéressante à condition qu'elle soit de qualité. Associé à un oculaire, la "barlow" permet de doubler le grossissement. Il existe également des barlows 3x, 4x et même 5x.
Que faut-il choisir ?
Dans notre exemple, sur le plan optique (sans parler de la qualité des optiques), il n'y a pas un instrument meilleur que l'autre, mais des utilisations plus spécifiques.
Un instrument dit ouvert (type Newton), donc lumineux, sera adapté au ciel profond (nébuleuses, amas d'étoiles, galaxies) alors qu'un instrument peu ouvert (peu lumineux) sera plus intéressant pour les planètes. Cela étant dit, cela n'empêche pas l'observation de tous les astres quel que soit l'instrument...
Notons qu'il existe aussi des instruments polyvalents (le fameux 115/900 avec un rapport d'ouverture de 7,8).
