Nous allons terminer ce chapitre par l'étude des télescopes.
Le télescope est devenu l'instrument roi de l'astronomie. Nous verrons pourquoi.
Ce dernier chapitre sera assez court, car toutes les notions d'optique ont déjà été abordées. De plus, nous verrons que son étude est très semblable à celui d'une lunette. Il sera d'ailleurs possible de le modéliser par une lunette astronomique.
Une fois terminé ce chapitre, nous quitterons le cadre de l'optique géométrique pour aborder rapidement quelques phénomènes d'origine ondulatoire, comme la diffraction et les interférences.
Les télescopes du VLT
Observatoire de l'ESO sur le mont Paranal, au Chili. Les deux premières coupoles abritent des télescopes de
de diamètre !
Crédit :
B. Mollier
S'il existe plusieurs types de télescopes, ils ont tous un point commun : un grand miroir !
Miroir primaire
La pièce essentiel d'un télescope est son miroir primaire. C'est un miroir sphérique (ou parabolique) situé au fond du tube du télescope.
Il joue le rôle de collecteur de lumière. Plus son diamètre est grand, plus il sera lumineux. Un grand miroir a un autre avantage, qui sera exposé au dernier chapitre.
Miroir secondaire
Un miroir, c'est bien joli, mais comment voir la lumière qui se réfléchit dessus. Bah oui, si je le mets à son foyer, je cache l'entrée du miroir, et donc, pas de lumière.
On doit donc utiliser un second miroir pour "dégager" la lumière du tube. Là, les options sont multiples, et définissent le type de télescope auquel nous avons à faire.
Soit le miroir est un petit plan incliné de 45° par rapport à l'axe optique, et la lumière s'échappera par le côté du tube. C'est un télescope de type Newton. Oui, c'est le télescope qu'avait utilisé Newton en 1671.
Télescope Newton
Le miroir secondaire renvoie la lumière sur le côté du tube. C'est un télescope de type Newton.
Crédit :
B. Mollier
Soit le miroir est un petit miroir plan ou sphérique, perpendiculaire à l'axe optique, renvoyant la lumière vers le fond du tube. Il faut alors percer le miroir primaire pour recueillir cette dernière en sortie de tube. Ce télescope est de type Cassegrain.
Télescope Cassegrain
Le miroir secondaire renvoie la lumière vers le fond du tube. C'est un télescope de type Cassegrain.
Crédit :
B. Mollier
Il en existe d'autres types, combinaison de ces deux télescopes.
Oculaire
Comme pour une lunette, on a la possibilité de rajouter un oculaire en sortie de télescope pour l'observation à l'oeil.
Miroir primaire
Le miroir primaire du VLT, de
de diamètre tout de même ! Le petit miroir au centre est un miroir tertiaire, qui permet de renvoyer la lumière sur les côtés. Il peut aussi être escamoté pour passer en mode Cassegrain.
Crédit :
B. Mollier
Miroir secondaire
Le miroir secondaire du VLT. Vous reconnaissez ici un miroir convexe.
Crédit :
B. Mollier
Va-t-on être obligé de refaire tout ce qu'on vient de voir sur les lunettes dans les cas des télescopes ? La réponse est heureusement non. En effet, formellement, un télescope et une lunette sont la même chose.
Souvenez-vous qu'un miroir sphérique est en fait une lentille pliée. L'objectif du télescope (le miroir primaire) est donc un objectif de lunette plié.
Équivalence lunette et télescope
Formellement, un télescope est équivalent à une lunette de même focale.
Crédit :
ASM/B. Mollier
L'ajout d'un miroir secondaire revient à plier une seconde fois notre schéma optique.
Muni de ce résultat, on montre très facilement que, formellement, un télescope est équivalent à une lunette de même focale.
Les résultats concernant le grossissement, le champ de vue, l'ouverture... restent valables pour un télescope.
Si pendant de nombreuses années, lunettes et télescopes se sont côtoyés dans les observatoires, cela fait bien 50 ans que l'on ne fabrique plus que des télescopes. Pour quelles raisons le monde scientifique a-t-il progressivement abonné la lunette au profit du télescope ? En voici quelques-unes.
Facilité de la construction
Un grand télescope est plus facile à construire qu'une grande lunette.
Pour capter le plus de lumière possible, il faut que la pupille d'entrée soit la plus grande possible. Pour la lunette, la quantité de lumière reçue est proportionnelle à la surface de la lentille de l'objectif ; pour le télescope, elle est proportionnelle à la surface du miroir primaire.
Pour la lunette, il faut donc construire une grande lentille. Plus elle est grande, plus il est difficile de la garantir sans défaut (aberrations optiques, bulles dans le verre). De plus, étant en verre massif, elle est de plus en plus lourde. Les plus grosses lunettes atteignent péniblement le mètre de diamètre.
Il est plus simple de polir un miroir de grande taille. Pour les petits miroirs, on utilise, comme pour les lunettes, des blocs de verre massif. C'est la même chose, me direz vous. Oui, mais quand leur taille augmente, on utilise des miroirs fins, taillés dans d'autres matériaux et reposant sur une structure rigide ou mobile, donnant au miroir sa forme. Enfin, pour des diamètres supérieurs à 
, on segmente le miroir. Il n'est plus monolithique, mais composé de plusieurs pièces hexagonales, assemblées comme un puzzle. Les télescopes actuels mesurent 
de diamètre. Et on ne s'arrêtera pas là. Des projets de télescopes de 
à 
sont en cours de réalisation.
Aberrations chromatiques
Si on se souvient du premier chapitre, on a vu que l'indice optique des verres dépendait de la longueur d'onde. Or, une lentille, faite en verre, possède une distance focale dépendant de l'indice optique. Plus l'indice optique est élevé, plus sa vergence augmente. Sa distance focale dépend donc de la longueur d'onde. Les rayons rouges, verts et bleus ne convergeront donc pas au même endroit. Une lunette présente donc des aberrations chromatiques.
Abbérations chromatiques
Le verre est un milieu dispersif. Par conséquent, la vergence d'une lentille dépend de la longueur d'onde. Les rayons rouge, vert et bleu ne sont alors plus déviés de la même manière et ne convergent plus au même foyer. On obtient en sortie la superposition d'image de tailles et de couleurs différentes. Ce sont des aberrations chromatiques.
Crédit :
ASM/B. Mollier
Ces aberrations deviennent très vite problématiques lorsqu'on veut atteindre une grande précision.
Un télescope ne présente pas de telles aberrations, l'angle de réflexion d'un rayon lumineux sur une surface métallique ne dépendant pas de la longueur d'onde.
Perte de lumière
Pour arriver jusqu'à l'oculaire, la lumière entrant dans une lunette doit traverser le verre de l'objectif. Le verre n'étant pas totalement transparent, il s'ensuit une perte de luminosité. Celle-ci est d'autant plus grande que l'objectif de la lunette est grand et par conséquent épais.
Si la réflexion sur un miroir n'est certes pas totale, il est facile de la porter à plus de 99%. Une réflexion entraînera moins de perte de photons qu'une transmission à travers du verre. Et quand on sait que dans les télescopes modernes, la lumière peut se réfléchir sur une vingtaine de miroir avant d'être exploitée par un instrument scientifique, on comprend mieux l'intérêt du miroir par rapport à la lentille.
Les pages précédentes présentaient les avantages du télescope en astronomie professionnelle. Néanmoins, en astronomie amateur, la lunette à encore toute sa place. Voici une petite liste non exhaustive des avantages et inconvénients des deux instruments.
Avantages de la lunette
- La lunette astronomique est un instrument solide et robuste. Elle est moins sujette au désalignement
- Elle nécessite très peu d'entretien, son tube étant hermétique.
- Hermétique toujours, elle est moins sensible à la turbulence.
- Il y a peu de réglage, idéal pour un débutant.
- Son prix est attractif à la base.
- Elle offre de meilleurs grossissements qu'un télescope.
- C'est l'instrument idéal pour l'observation planétaire.
Les inconvénients de la lunette astronomique
- Elle induit des aberrations chromatiques.
- Elle est opaque à certaines longueurs d'onde (UV)
- Plus l'épaisseur de la lentille augmente, plus la lumière est absorbée ou diffusée.
- À diamètre équivalent, elle est beaucoup plus chère qu'un télescope.
- Elle est assez fermée, et donc peu lumineuse.
- Elle ne permet pas d'observer le ciel profond, et est peu adaptée à l'astrophotographie.
Les avantages du télescope
- Pas d'aberration chromatique.
- Coût de fabrication moindre à diamètre équivalent.
- Plus grand diamètre et plus grande ouverture, idéal pour le ciel profond et l'astrophotographie.
- Plus compact en configuration Cassegrain.
- Conception compacte et légère pour les Dobson
Les inconvénients du télescope
- Plus encombrant qu'une petite lunette.
- Plus sensible à la turbulence atmosphérique pour les tubes ouverts.
- Nécessite également plus d'entretien.
- Réglages (collimation) pas toujours évidents.
- Aberration de coma possible.
- Grossissement moindre.
Description d'un télescope
Un télescope est constitué d'un miroir primaire, qui collecte la lumière ; d'un miroir secondaire, qui renvoie la lumière vers l'oculaire et modifie éventuellement la focale du primaire.
Il existe de nombreux types de télescopes, les principaux étant le télescope de Newton, où l'oculaire est placé sur le haut et côté du tube, et le télescope Cassegrain où l'oculaire est placé à la base du tube.
Grossissement d'un télescope
Comme pour une lunette, le grossissement d'un télescope est le rapport des focales de l'objectif et de l'oculaire,
Le grossissement sera d'autant plus grand que la focale du télescope est grande, et celle de l'oculaire réduite.
Champ d'un télescope
L'angle de champ d'un télescope est proportionnel à celui de l'oculaire (qui est en général de 40-50°) et inversement proportionnel au grossissement :
Lunette ou télescope ?
Si l'astronomie professionnelle a clairement fait le choix du télescope pour des raisons de diamètre et d'aberrations chromatiques, l'astronome amateur pourra encore choisir entre les deux, en fonction de ses besoins.
La lunette est idéale pour le débutant et pour l'observation planétaire.
Le télescope est réservé à l'astronome plus expérimenté, au photographe, ainsi qu'à l'observation du ciel profond.
de l'objectif par la focale 
de l'oculaire.
