Adulte et enfants observant le ciel à travers une lunette astronomique

Adulte et enfants observant le ciel à travers une lunette astronomique (inhauscreative, iStockphoto)

Les télescopes et les lunettes astronomiques

Richard Bloch et Parlons sciences

Résumé

Apprends-en plus sur les instruments d’observation du ciel, leur fonctionnement et les raisons de leur importance pour les astronomes.

Quand on te parle de télescope ou de lunette astronomique, quelle image te vient directement à l’esprit? Est-ce celle d’un long tube dans lequel les astronomes regardent pour observer les étoiles dans l’obscurité de la nuit? Tu as tout à fait raison. Mais ces instruments d’observation du ciel ne sont pas utilisés que sur Terre. On peut aussi les utiliser dans les airs ou dans l’espace pour scruter en permanence les planètes, les étoiles et les galaxies. 

Il fut un temps où les astronomes recensaient tous les objets célestes à l’œil nu, et ce n’était pas une tâche facile. En effet, l’œil humain ne permet pas d’observer tous les détails des objets célestes lointains et peu lumineux, même par nuit claire. L’être humain avait besoin d’un outil pour augmenter la taille et la luminosité apparentes de ces objets. C’est ainsi qu’il a inventé les instruments d’observation du ciel.

Qui a inventé le premier instrument d’observation du ciel?

Les premiers instruments d’observation du ciel connus ont été fabriqués en 1608 aux Pays-Bas par plusieurs artisans opticiens. L’un de ces opticiens, Hans Lippershey, a suffisamment fait connaître son invention pour que Galileo Galilei, plus connu sous le nom de Galilée, en entende parler en Italie en 1609 et construise sa propre lunette astronomique. 

Living “statue” of Galileo Galilei at his telescope in La Rambla‎‎, Spain
« Statue » vivante de Galilée assis près de sa lunette astronomique à La Rambla‎‎, à Barcelone, en Espagne (Source : Nicholas Gemini [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).

Galilée n’a donc pas inventé la lunette astronomique. Cependant, en l’espace d’un an, il a considérablement amélioré l’instrument de Lippershey. Galilée a amplement vanté les mérites des lunettes astronomiques qu’il avait fabriquées. C’est aussi lui qui a découvert les plus grosses lunes de Jupiter. C’est pour toutes ces raisons que beaucoup de gens pensent qu’il est l’inventeur de la lunette astronomique.

Comment les lunettes astronomiques et les télescopes fonctionnent-ils?

The world's largest refracting telescope is the Yerkes Observatory 40-inch Refractor
La plus grosse lunette astronomique du monde se trouve à l’observatoire Yerkes. Elle utilise un réfracteur d’un diamètre de 40 pouces (Source : Kb9vrg [domaine public] via Kb9vrg [Public domain] via Wikimedia Commons).

Si tu veux t’acheter un instrument pour observer le ciel, tu constateras qu’il en existe deux types : la lunette astronomique et le télescope, qui fonctionnent selon des principes différents.

  1. La lunette astronomique utilise la réfraction, d’où son autre nom de « réfracteur ».
  2. Le télescope utilise la réflexion, d’où son autre nom de « réflecteur ». 

La lunette astronomique utilise des lentilles logées dans un long tube pour réfracter (courber) la lumière. C’est avec ce genre d’instrument que l’on imagine les astronomes d’autrefois, comme Galilée. Le télescope utilise quant à lui des miroirs au lieu de lentilles pour refléter la lumière. 

La plupart des observatoires astronomiques modernes sont équipés de télescopes parce qu’ils ont besoin d’instruments de très grande taille. En effet, il ne serait pas pratique pour eux de se servir d’une lunette astronomique, car les lentilles seraient très lourdes et il faudrait des tubes très longs. 

Quelles sont les composantes d’un télescope et d’une lunette astronomique?

Une lunette astronomique est constituée d’un long tube qui contient plusieurs lentilles. L’objectif est la lentille située à l’avant du tube. C’est par cette extrémité que la lumière entre dans le tube. Les lunettes astronomiques modernes sont dotées d’un second tube qui contient l’oculaire. Comme son nom le laisse supposer, l’oculaire est la pièce à laquelle l’observateur colle son œil pour regarder dans la lunette astronomique. L’oculaire peut être composé de plusieurs lentilles, que l’on peut régler pour faire la mise au point de l’image.

Intérieur d’une lunette astronomique
Vue schématique de l’intérieur d’une lunette astronomique (© 2019 Parlons sciences d’après une image de Krishnavedala [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).

 

Le télescope de Newton classique est lui aussi composé d’un long tube. Cependant, au lieu d’avoir un objectif à lentille, il a un objectif à miroir ou miroir primaire. Souviens-toi : l’objectif à lentille est placé à l’extrémité du tube par laquelle la lumière entre. En revanche, l’objectif à miroir est placé à l’autre extrémité du tube. 

L’objectif à miroir n’est pas un miroir plat. En fait, il s’agit d’un miroir courbe (concave). Les télescopes ont un deuxième miroir appelé miroir secondaire. Le miroir secondaire est un miroir plan (plat). Il se trouve à l’opposé du miroir primaire. Il est incliné selon un angle de 45 degrés en direction de la lumière reflétée par le miroir primaire. Dans un télescope, l’oculaire se trouve sur le côté du tube (et non à une extrémité).

Intérieur d’un télescope
Vue schématique de l’intérieur d’un télescope (© 2019 Parlons sciences d’après une image de Krishnavedala [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).

Comment la lumière voyage-t-elle à travers chaque instrument?

Dans une lunette astronomique, la lumière entre dans le tube par l’objectif. La lentille de l’objectif est une lentille convexe. Elle fait converger la lumière. Les rayons lumineux convergent au point focal, où ils recommencent à diverger. Une deuxième lentille convexe, logée dans l’oculaire, capture la lumière convergente et la redresse. Cela agrandit l’image au point focal et permet sa mise au point. Une lunette astronomique a donc besoin d’une longue voie dégagée pour permettre aux rayons lumineux de se courber. L’un des inconvénients est que l’image finale apparaît inversée.

Cheminement des rayons lumineux à travers le tube d’une lunette astronomique
Cheminement des rayons lumineux à travers le tube d’une lunette astronomique (© 2019 Parlons sciences d’après une image de Krishnavedala [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).

 

Dans un télescope, la lumière entre par l’extrémité qui se trouve en face du miroir primaire. Ce miroir est un miroir concave. À l’instar d’une lentille convexe, le miroir concave fait converger la lumière vers un miroir secondaire. Les rayons lumineux convergent au point focal, où ils recommencent à diverger. La lentille convexe qui se trouve dans l’oculaire capture la lumière convergente et la redresse. Comme pour la lunette astronomique, l’image est inversée. Elle apparaît comme une image virtuelle au-delà du télescope dans la direction vers laquelle la personne regarde. 

Cheminement des rayons lumineux à travers le tube d’un télescope
Cheminement des rayons lumineux à travers le tube d’un télescope (©2019 Parlons science d’après une image de Krishnavedala [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).

 

Nous avons dit précédemment qu’il ne serait pas pratique de construire de très grosses lunettes astronomiques à cause de la lourdeur des lentilles nécessaires. Comme les miroirs sont moins lourds que les lentilles, on peut les utiliser pour construire de très grands télescopes.

Pourquoi les instruments des observatoires astronomiques sont-ils aussi grands?

Les objets les plus sombres de l’univers ne nous apparaissent pas suffisamment lumineux pour que nous puissions les observer correctement. Les instruments d’observation du ciel peuvent par divers moyens améliorer la luminosité et la netteté des objets célestes pour les observateurs. 

Le diamètre de l’ouverture d’un télescope, qui se trouve à l’avant du tube, est très important. Plus l’ouverture est grande, plus grande est la quantité de lumière qui peut entrer dans le tube. Tes yeux ont eux aussi une ouverture : les pupilles. Celles-ci ont un diamètre de quelques millimètres à peine. En revanche, les télescopes ont rarement des ouvertures inférieures à huit centimètres. Et dans les grands observatoires, cette ouverture peut atteindre, voire dépasser, les dix mètres! 

La longueur focale est elle aussi importante. C’est la distance qui sépare l’ouverture du point focal dans le tube. Plus la longueur focale est grande, plus petite est la portion du ciel que l’on peut observer. Cependant, une plus grande longueur focale donne aussi un meilleur grossissement possible. 

Les télescopes offrent un autre avantage. Les lunettes astronomiques courbent la lumière dans le tube. Il faut donc que le tube soit au moins aussi long que la longueur focale. En revanche, comme les télescopes utilisent des miroirs, le tube peut-être plus court que la longueur focale. En reflétant la lumière au moyen de multiples miroirs, la lumière parcourt quand même toute la longueur focale. Cependant, le tube lui-même n’est pas aussi long.

Et si je n’ai qu’un petit instrument?

Faut-il que notre instrument ait les plus grandes ouvertures et longueurs focales possible pour pouvoir bien observer le ciel? Non, ce n’est pas toujours nécessaire. Premièrement, pour étudier le système solaire, l’ouverture n’est pas aussi importante que ça. La plupart des planètes sont visibles, même avec les plus petits instruments. Des objets célestes comme la Lune sont tellement lumineux qu’une grande ouverture peut en fait laisser entrer beaucoup trop de lumière, rendant plus difficile l’observation des détails tels que les cratères à la surface. 

Deuxièmement, même les instruments de petite taille permettent d’observer des centaines de galaxies et de nébuleuses, dont certaines se trouvent à presque cent millions d’années-lumière de la Terre! Avoir une longueur focale plus courte est utile pour observer les très gros objets qui n’ont pas besoin de beaucoup de grossissement. De tels objets sont simplement trop gros pour que l’on puisse « zoomer » dessus. Parmi ces objets figurent des constellations ou même la galaxie d’Andromède, qui est plus grosse que la pleine Lune dans le ciel nocturne.

Ouf! Cela fait beaucoup de choses à retenir! Heureusement, comme pour tout, plus tu utiliseras un télescope ou une lunette astronomique, plus leur fonctionnement te semblera simple. Cherche un club d’astronomie près de chez toi pour essayer toi-même une lunette astronomique ou un télescope!

 

Références

Abel, P. G. (2015, octobre). Absolute beginners no. 3: A short introduction to some common types of telescope. British Astronomical Association.

Helden, A. V. (1995). The telescope. The Galileo Project.

McFadden, C. (2018, mai 27). A brief history of the telescope: From 1608 to gamma-rays. Interesting Engineering.

Morgan, S. (n.d.). Astronomy notes 4 - Light and telescopes. University of Northern Iowa.

Tang, Y. (n.d.). Telescopes - Curious about astronomy? Ask an astronomer. Cornell University.