LES INSTRUMENTS ASTRONOMIQUES



Les anciens instruments astronomiques (quarts de cercle, astrolabes, lunette méridiennes...) permettaient de mesurer la position des astres. Les instruments modernes sont destinés à détecter des ondes (détecteurs d’ondes gravitationnelles) ou particules (détecteurs de neutrinos), ou à concentrer des ondes (lunettes et télescopes, radiotélescopes). La mise en réseau de plusieurs instruments permet d’améliorer considérablement la précision spatiale, par exemple les réseaux de radiotélescopes peuvent former des images extrêmement fines. Le but est toujours de collecter et concentrer les ondes afin de mesurer, observer, décomposer (spectroscopie) la lumière visible ou invisible (ultraviolets, infrarouges, radio) émise par les étoiles, galaxies et nébuleuses, ou la lumière réfléchie par les planètes et les petits corps éclairés par leur étoile. Un radiotélescope et un télescope fonctionnent selon le même principe, mais ils sont sensibles à des longueurs d’onde différentes apportant des informations complémentaires. De plus, un radiotélescope peut émettre un faisceau d’ondes qui sera réfléchi par la Lune, un astéroïde ou la planète Vénus par exemple.
Le plus souvent, les astronomes amateurs observent en lumière visible avec une lunette ou un télescope, mais ils utilisent parfois l’infrarouge proche, l’ultraviolet proche, ou de petits radiotélescopes.

Les lunettes
Nul ne sait qui a inventé la lunette astronomique. Les lentilles étaient connues des Assyriens (4000 AEC), des Grecs (400 AEC) et des Romains (vers 50). Dans l’ancienne Perse, les lois de l’optique, réfraction (lentilles) et réflexion (miroirs), furent décrites par ibn Sahl dès 983, puis expérimentées et décrites en profondeur par le père de l’optique géométrique moderne, Ibn al-Haytham (dit Alhazen) entre 1015 et 1021 alors qu’il résidait au Caire. En Occident, le polissage des lentilles de vue se répand vers 1280 en Italie. Les longues-vues sont commercialisées en Italie puis aux Pays-Bas à la fin du XVIe siècle. Galileo Galilei en acheta une en 1609 avant d’en construire plusieurs, puis, bien, qu’il ne fût pas le seul à l’utiliser vers le ciel à cette époque, sa qualité de scientifique hors du commun lui fit faire des découvertes qui révolutionnèrent l’astronomie. La lunette astronomique resta un instrument médiocre jusqu’au XVIIIe siècle (objectif simples à une lentille), devint performante au XIXe siècle (objectifs achromatiques à deux, puis trois lentilles), avant d’atteindre une excellente qualité à la fin du XXe siècle (objectifs apochromatiques à trois lentilles). Les plus grandes lunettes atteignaient un mètre de diamètre au moment où les professionnels les remplacèrent par des télescopes à miroirs, meilleurs et bien plus grands.

Les télescopes
Plusieurs types de télescopes à miroirs furent inventés au XVIIe siècle par Gregory, Newton puis Cassegrain. Le Newton, plus simple, fut le premier construit en 1668. Les premiers miroirs en bronze ou cuivre (parfois de verre au mercure) furent remplacés au XIXe siècle par des miroirs en verre recouverts d’argent, puis d’aluminium. Vers 1950, les télescopes professionnels de type Cassegrain ou Schmidt (lentille + miroir) furent remplacés par des Ritchey-Chrétien. Ils dépassent maintenant 10 mètres de diamètre. Les télescopes d’amateurs sont des Newton, performants, simples et d’un coût abordable, ou des catadioptriques (Maksutov, Schmidt-Cassegrain...) utilisant à la fois des lentilles et des miroirs pour réduire leur encombrement, ou, pour la photographie, des Ritchey-Chrétien. Des correcteurs à lentilles permettent d’adapter des caméras et appareils photo à grand capteur, de réduire ou augmenter la focale (champ et grossissement), de sorte qu’ils sont tous relativement polyvalents sauf les Maksutov, optiquement parmi les meilleurs mais au champ de vision assez étroit. A l’exception des lunettes de débutant (achromatiques) qui rendent encore de grands services pour l’observation des amas d’étoiles à faible grossissement et grand champ, tous les instruments d’amateurs présentent actuellement (2016) de bonnes qualités optiques. C’est désormais la monture (la mécanique et l’électronique) qui fait la différence, en particulier à fort grossissement ou pour la photographie. L’utilisation de matières plastiques trahit à coup sûr un instrument instable et qui tombera en panne, même si l’optique est correcte.

Les montures d’instruments d’amateur :
La monture représente la moitié d’un instrument, c’est la partie mécanique : trépied, tête (axes et réglages fins de l’orientation), fourche ou tige avec contrepoids, électronique (moteurs pour compenser la rotation de la Terre, pointage automatique vers un astre invisible). Le pointage automatique s’appelle GOTO (« aller vers »).
Les montures simples équipant les lunettes de début sont généralement médiocres, instables et peu précises. Les pires sont celles qui disposent d’une simple vis pour le mouvement vertical. Elles permettent, avec difficulté, de photographier la Lune à faible grossissement.
Les montures à fourche sont compactes. Elles sont mal adaptées à la photographie et difficiles à équilibrer si l’instrument est gros. On ne peut pas changer l’optique par la suite. Ce sont en revanche les plus pratiques pour l’observation et le transport.
Les montures de type allemand, à contrepoids, sont plus encombrantes mais parfaitement adaptées à la photographie et permettent de changer l’optique.
Les montures Dobson sont réservées aux gros télescopes ; elles sont manuelles ou motorisées. Avec une motorisation, elles permettent la photographie des planètes, de la Lune et de quelques étoiles et nébuleuses contrastées.
Les petits instruments GOTO permettent de viser automatiquement des dizaines de milliers d’astres mais quelques dizaines seulement sont visibles dans l’instrument. En général, le système est trop compliqué et parfois fragile, et l’instrument finit vite au placard. Souvent, les systèmes GOTO nécessitent de connaître au préalable les constellations et étoiles brillantes, mais certains, plus onéreux, sont entièrement automatiques. Si on le dérègle à la main, le télescope perd son orientation, sauf s’il est équipé d’encodeurs (capteurs d’orientation).

Lunette achromatique :
Les lunettes courtes sont très bonnes en observation de la Voie lactée à faible grossissement (par ex. 30 fois). Le champ de vision est large et les étoiles bien plus fines qu’avec la plupart des télescopes. Par contre, les couleurs sont dénaturées en photographie, en particulier les étoiles brillantes sont entourées d’un halo bleu-violet. En observation à grossissement moyen, la Lune et les planètes manquent de détails et de contraste, et les cratères lunaires montrent des bords jaunes ou violets à la place des ombres.

Lunette semi-apochromatique :
L’objectif comprend deux lentilles dont une en verre ED (Extra-low Dispersion). Le grossissement possible sur la Lune et les planètes est plus élevé (ex. 120 fois en gardant une belle image). La photographie des nébuleuses et galaxies est satisfaisante mais l’image montre des couleurs très imparfaites car le bleu est mal concentré. Par contre, la photographie des nébuleuses diffuses est très bonne si l’on utilise un filtre rouge très sélectif (notamment H-Alpha) et une caméra astronomique monochrome. Un correcteur de champ améliore les bords de l’image, et, souvent, diminue le rapport F/D pour la photo du ciel profond (voir l’explication dans le paragraphe sur les Newton).

Lunette apochromatique :
L’objectif comporte deux ou trois lentilles qui concentrent parfaitement toutes les couleurs. Non seulement il n’y a pas de défauts colorés, mais en plus toute la lumière est mieux concentrée, donc pour un même diamètre l’instrument est nettement plus efficace et polyvalent. Là encore, un correcteur / réducteur améliore les images et réduit les temps de pose photographique en ciel profond. Les images de la Lune et des planètes sont excellentes bien que limitées par le diamètre de l’objectif. Ce sont aussi les instruments les plus chers.

Télescope de Newton :
il est polyvalent, simple, d'un coût abordable, encombrant, nécessitant une monture très stable. Le réglage des miroirs (collimation) est délicat mais cela s’apprend sans problème. Une notion importante ici est le rapport d’ouverture qui se calcule très simplement : distance Focale en mm divisée par Diamètre en mm (en abrégé : le rapport F/D). Ces deux chiffres sont toujours marqués sur l’instrument. Si le résultat vaut 4 ou 5, le Newton est parfait pour la photographie des galaxies et nébuleuses faiblement lumineuses, mais il faut ajouter un correcteur (de coma), sinon le bord de l’image est déformé. Si le rapport vaut 6 ou plus, les miroirs sont bien plus faciles à aligner, le correcteur n’est pas nécessaire et les images à fort grossissement (Lune, planètes...) sont meilleures car les défauts optiques sont moins visibles. Ce rapport d’ouverture F/D n’a pas une grande importance pour l’observation, mais il compte beaucoup en photographie des galaxies et nébuleuses. Plus il est élevé, plus l’image est sombre. L’oeil compense aisément la différence de lumière, mais une caméra ou un appareil photo y est très sensible. Cette notion s’applique à tous les types d’instruments, mais le Newton est le télescope qui, comme les lunettes (et les Rumak Santel et Intes-Micro, plus rares), permet le plus de liberté dans sa conception et le choix de rapport F/D.

Télescope de Maksutov :
C’est le meilleur télescope à miroir pour les forts grossissements, mais il a un champ étroit, adapté à la Lune, aux planètes, aux nébuleuses planétaires et amas globulaires. Il est très performant en observation autant qu’en photographie. Par contre, il est très sensible aux variations de la température qui produisent des turbulences. La variante Rumak possède un miroir secondaire réglable. Parfois le primaire est réglable. Les plus petits sont de type Maksutov-Cassegrain, avec une pastille aluminée à la place du miroir secondaire, et le primaire est souvent fixe ; ils sont indéréglables.

Télescope de Schmidt-Cassegrain :
Plus polyvalent qu’un Maksutov et un peu moins sensible à la turbulence, il est très populaire car compact, disponible en petit comme en grand diamètre, et peut être équipé d’un correcteur/réducteur. Il est moins contrasté que les autres télescopes à l’exception des Ritchey-Chrétien. Certains modèles permettent de remplacer le miroir secondaire par un correcteur et une caméra ou un appareil photo pour les nébuleuses étendues ; ainsi ils remplacent le télescope photographique de Schmidt, le plus lumineux de tous les instruments et le plus adapté aux objets faibles du ciel profond.

Ritchey-Chrétien :
Utilisé par les professionnels (VLT, Hubble...), il est assez peu contrasté, modérément sensible à la turbulence. Il possède un champ large et plan, mais un fort grossissement minimal peu adapté aux nébuleuses étendues. Il peut être équipé d’un correcteur / réducteur, mais son champ reste toujours plus étroit que celui d’un Newton ou d’une lunette. Il est parfait pour photographier tous les objets du ciel profond à champ moyen. C’est une excellente alternative aux Maksutov dès qu’on veut dépasser un diamètre de 18 cm. Par contre sa collimation est délicate, mais il s’adresse à des astrophotographes déjà expérimentés. La perte de lumière (et de contraste) due à son énorme miroir secondaire est compensée par un traitement diélectrique des miroirs dont la réflectivité atteint 99%, très supérieure à tous les autres télescopes.

Cassegrain-Mangin :
C’est un Cassegrain (comme le 1 mètre du Pic du Midi) doté d’un correcteur à lentilles collé au miroir secondaire. Le champ est assez large et très bien corrigé, avec un grossissement minimal relativement élevé. Il est moyennement sensible à la turbulence et bien contrasté. Cela en fait un télescope très polyvalent sauf pour les nébuleuse diffuses étendues. Son prix est assez élevé mais il s’agit d’une optique très évoluée. Le Japonais Vixen et le russe TAL en fabriquent en série.

Il existe bien d’autres types de télescopes, mais ils sont peu courants et souvent de fabrication artisanale ou à l’unité (SchiefSpiegler, Gregory), n’ont pas rencontré assez de succès (Herschel) ou, malgré leurs qualités fondamentales, ont pu décevoir (Schmidt-Newton) ou au contraire être de très grande qualité mais de prix jugé trop élevé (Maksutov-Newton).

Rédaction : Nicolas Dupont-Bloch