Télescopes optiques

Parlons sciences
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Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Renseignez-vous sur l’histoire des télescopes et comment les télescopes optiques utilisent la réfraction et réflexion de la lumière.

L’astronomie

L’astronomie vient des mots grecs astron, qui veut dire « étoile », et nomos, qui signifie « loi ». C’est l’étude de tout ce qui existe au-delà de la Terre. L’astronomie repose en fait sur la compréhension de la lumière. Qu’on fasse de la recherche, qu’on explore la voûte céleste ou qu’on lève tout simplement les yeux vers le ciel, tout ce qu’on apprend se présente en effet sous forme de lumière. Lors de nuits sans lune ni nuages, loin des villes, il y a effectivement beaucoup à voir! Les premiers astronomes ont dû faire preuve d’une incroyable minutie pour faire état tout ce qu’ils voyaient à l’œil nu. Mais les êtres humains n’étaient pas assez bien équipés pour relever les détails d’objets pâles et éloignés. C’est pourquoi ils ont inventé le télescope.

Le télescope

Le télescope est un instrument qui fait paraître les choses éloignées plus proches et lumineuses. L’histoire de son invention est un peu approximative. La plupart des gens attribuent la réalisation du prototype à Galileo Galilei (Galilée), en 1609, mais les connaissances requises pour en fabriquer avaient déjà été acquises avant cela. Toutefois, personne n’a encore trouvé de preuve de l’existence des télescopes avant 1608, année à laquelle des artisans opticiens des Pays-Bas en ont construit. Un de ces artisans, Hans Lippershey, a tant fait parler de sa création que des échos en sont parvenus à Galilée un an plus tard. Celui-ci a alors conçu une version considérablement améliorée de l’instrument du Néerlandais. Ses efforts d’autopromotion, de même que ses observations sur les plus grosses lunes de Jupiter, ont fait la renommée de Galilée en tant que pionnier de l’astronomie.

Galileo showing telescope
Galilée montrant au doge (duc) de Venise comment se servir de son télescope (fresque de Bertini, 1858) (Source : Giuseppe Bertini [Public domain] via Wikimedia Commons).

En 1923, Edwin Hubble (en honneur duquel le fameux télescope spatial a été nommé) s’est servi du plus puissant télescope qui existait alors sur Terre pour observer la galaxie d’Andromède. Les astronomes savaient qu’elle était composée d’étoiles, mais c’est Hubble qui a réussi à déterminer à quelle distance elle se trouvait de nous. Les chercheurs avaient déjà établi les dimensions approximatives de la Voie lactée, et Hubble a calculé qu’Andromède était au moins dix fois plus éloignée que l’extrémité de cette dernière. Cette découverte a mené à de nouvelles observations qui, en confirmant l’existence d’autres galaxies, ont radicalement étendu notre notion de l’Univers.

Le fonctionnement des télescopes

Comment les télescopes fonctionnent-ils ? Commençons par décrire les modèles de base, qu’on peut trouver en magasin. Si vous vouliez vous en procurer un, une amie qui s’y connait pourrait vous expliquer qu’il en existe deux grands types, soit les télescopes à réfraction (réfracteurs) et les télescopes à réflexion (réflecteurs).

Les télescopes à réfraction

Les réfracteurs (ou lunettes astronomiques) sont ces longs instruments qu’on imagine toujours dans les mains des premiers astronomes, comme Galilée. Ils emploient des lentilles pour réfracter (faire changer de direction) la lumière entrante à travers un tube, jusqu’à un foyer (voir le chapitre sur la physique pour en savoir plus sur la réfraction). Les réfracteurs sont normalement dotés de deux lentilles : l’objectif (la lentille avant, par laquelle la lumière entre) et l‘oculaire (la lentille qui agrandit l’image).

Composantes et fonctionnement d’un télescope à réfraction
Composantes et fonctionnement d’un télescope à réfraction (©2020 Parlons sciences).

Les télescopes à réflexion

Les réflecteurs se servent de miroirs au lieu de lentilles pour refléter la lumière sur un foyer (voir le chapitre sur la physique pour en savoir plus sur la réflexion) : le miroir primaire à l’arrière, gros et incurvé, qui effectue la première focalisation, et le miroir secondaire à l’avant, plus petit, conçu pour rediriger la lumière vers l’œil. Les réflecteurs sont également dotés d’un oculaire.

Composantes et fonctionnement d’un télescope à réflexion
Composantes et fonctionnement d’un télescope à réflexion (©2020 Parlons sciences).

On ne peut pas vraiment dire qu’un type de télescope est meilleur que l’autre. Ils ont chacun leurs avantages et leurs inconvénients, selon ce qu’on veut observer, qu’on veuille ou non photographier ce qu’on voit, qu’on souhaite transporter l’instrument ou non, etc. Aujourd’hui, la plupart des observatoires (établissements d’observation astronomique) ont recours à des réflecteurs. Les télescopes qu’on y trouve sont énormes! Leur taille permet le passage de la plus grande quantité de lumière possible. Pour fabriquer des réfracteurs de cette taille, les lentilles et les tubes seraient respectivement bien trop lourdes et bien trop longs, les rendant à la fois gênants et moins efficaces que les réflecteurs.

Hooker telescope
Le télescope Hooker de l’observatoire du Mont Wilson, en Californie, a un diamètre de 2,54 m; on en a terminé la construction en 1917 (Source : NASA).

L’ouverture

Les télescopes ont deux importantes caractéristiques : leur ouverture et leur distance focale. L’ouverture d’un télescope équivaut à son diamètre avant. Plus ce diamètre est grand, plus la quantité de lumière entrante sera élevée. La pupille de nos yeux (leur « ouverture » à eux) ne mesure que quelques millimètres. Le diamètre des télescopes est rarement inférieur à 8 cm (les plus gros peuvent mesurer au-delà de 10 m). Certains objets astronomiques étant beaucoup moins lumineux que d’autres, il nous faut en effet des télescopes dotés de grandes ouvertures capables de faire entrer suffisamment de lumière pour les voir.

Canada-France-Hawaii Telescope
L’observatoire Canada-France-Hawaï, situé au sommet du Mauna Kea, à Hawaï (Source : Vadim Kurland [CC BY] via Wikimedia Commons).

La distance focale

La distance focale correspond à la longueur entre l’ouverture et le foyer d’un télescope. Plus cette distance est grande, plus le champ de vision de l’instrument est petit. Toutefois, les longues distances focales permettent d’agrandir davantage les images captées. Ici encore, les réflecteurs sont avantagés. En effet, étant donné que les réfracteurs changent la direction de la lumière qui passe dans leur tube, celui-ci doit être au moins aussi long que la distance focale. Les miroirs des réflecteurs réfléchissent cette lumière; ils peuvent donc être plus courts. Comme on le voit à la figure 3, la lumière parcourt ainsi la même distance dans un tube moins grand. L’oculaire est placé près du foyer du miroir primaire pour agrandir l’image.

Vous devez commencer à vous dire que les meilleurs télescopes devraient toujours avoir les plus grandes ouvertures et distances focales possible. Outre le prix et l’espace qu’ils prendraient, voici d’autres raisons pourquoi ce n’est pas toujours une bonne idée. Premièrement, l’ouverture n’a pas beaucoup d’importance pour ceux qui étudient le système solaire. En effet, la plupart des planètes sont visibles avec les plus petits télescopes. De plus, les objets comme la Lune sont si brillants qu’ils pourraient aveugler les utilisateurs d’instruments de plus gros diamètres. Deuxièmement, les télescopes ayant de plus petites ouvertures (20 cm p. ex.) sont quand même capables de voir des centaines de galaxies (vastes ensembles d’étoiles, de gaz et de poussière) et de nébuleuses (nuages interstellaires également composés de gaz [hydrogène] et de poussière). Dont certaines se trouvent à près d’une centaine de millions d’années-lumière de la Terre! En fait, un faible grossissement peut se révéler avantageux si on veut observer de manière globale des objets comme des amas stellaires, qui occupent déjà beaucoup de place dans l’oculaire. La galaxie d’Andromède (voir la figure 6) semble par exemple être plus grande que la pleine lune dans un ciel nocturne!

Andromeda Galaxy
La galaxie d’Andromède (©2013 Richard Bloch. Avec permission).

Pleins feux sur l’innovation

Réserve internationale de ciel étoilé

Une réserve internationale de ciel étoilé (RICE) est un espace public ou privé de grande étendue jouissant d’un ciel nocturne d’une qualité exceptionnelle qui fait l’objet d’une protection à des fins scientifiques, éducatives, culturelles ou dans un but de préservation de la nature. La réserve doit comprendre une zone centrale où la noirceur naturelle est préservée au maximum et une région périphérique où l’importance du ciel étoilé est reconnue et protégée à long terme.

Située au Québec, dans les Cantons-de-l’Est, la Réserve internationale de ciel étoilé du Mont-Mégantic (RICEMM) vise à préserver l’accès pour tous à l’expérience du ciel étoilé et la lutte à la pollution lumineuse.

Comme les activités de recherche, d'éducation et de tourisme de la région du mont Mégantic reposent sur l'observatoire astronomique (OMM), l'ASTROLab et le parc national du Mont-Mégantic, la protection du ciel étoilé y revêt une importance cruciale. En 2002, les trois organismes ont défini les grandes lignes d’un projet visant à réduire la pollution lumineuse dans la région. Trois axes d'intervention ont alors été visés : la sensibilisation, la réglementation et la conversion de dispositifs d'éclairage pour diminuer la pollution lumineuse.

En septembre 2007, la région du mont Mégantic a été officiellement reconnue comme la toute première réserve internationale de ciel étoilé par la International Dark-Sky Aassociation (IDA). Elle s'étend sur une superficie de 5 275 km2 et comprend 35 municipalités ainsi que la ville de Sherbrooke.

Sa portée s'est étendue à l'échelle nationale et internationale par ses actions concrètes et son rôle de leader dans le domaine de la protection du ciel étoilé.

Au Canada, d’autres initiatives similaires reliées à la protection du ciel étoilé existent. Avant même la création de la RICEMM, la Société royale d'astronomie du Canada (SRAC) déployait de nombreux efforts pour la protection du ciel étoilé. Avec plus d'une douzaine d'endroits aujourd'hui désignés à travers le pays, la SRAC a jeté les bases de la désignation de zone de protection du ciel étoilé et a grandement influencé les efforts internationaux qui ont suivi. Le Canada renferme d'ailleurs les 3 plus grandes réserves de ciel étoilé au monde : Wood Buffalo, Jasper et Mont-Mégantic.

Composite image of Earth at night showing light pollution
Pollution lumineuse (Marc Imhoff de NASA GSFC et Christopher Elvidge de NOAA NGDC via Wikimedia Commons).

 

Références

Greene, N. (2019, July 3). Hans Lippershey: Telescope and microscope inventor. ThoughtCo.

Smith, R. (n.d.). Edwin Hubble. Encyclopaedia Britannica.

University of Oregon. (n.d.). Reflecting telescope.

Van Alden, A. (n.d.). Galileo. Encyclopaedia Britannica.