Mots clés :
télescope, télescopes, miroirs liquides, miroir liquide, diffraction d'Airy, optique active, optique adaptative, NAOS/CONICA

Si l'on se contente d'appliquer les principes de l'optique géométrique aux télescopes, on trouve que le grossissement qu'ils permettent d'obtenir ne dépend que des caractéristiques (distances focales) de leurs lentilles et miroirs. A première vue donc, si les performances d'un télescope étaient déterminées par son grossissement théorique (calculé en appliquant les principes de l'optique géométrique), on devrait pouvoir construire des télescopes aussi puissants qu'on le souhaite... Il suffirait seulement de choisir les bonnes distances focales !

Cependant, nous savons bien que, dans la pratique, il n'en est rien.


Quelles sont donc les limites réelles aux performances d'un télescope ? On va s'efforcer de passer rapidement en revue les problèmes essentiels.

Diffraction

Pour des objets très petits, bien avant d'arriver aux limites de vision du télescope prédites par l'optique géométrique, on est limité par la diffraction.

On rappelle que, lorsqu'un obstacle (petit trou, fente, fil, etc.) est interposé sur le trajet de la lumière, on obtient une figure qui ne suit pas le modèle de rayon lumineux de l'optique géométrique, et que l'on appelle figure de diffraction. Cette dernière est d'autant plus grande que l'obstacle est petit.

Les télescopes n'échappent pas aux problèmes de diffraction, et donnent des étoiles une image qui est une tache de diffraction, de taille inversement proportionnelle au diamètre du miroir (plus le diamètre du miroir est grand, moins la diffraction est importante). La figure de diffraction obtenue limite l'aptitude du télescope à séparer les images de deux points très proches.


On peut donner quelques formules à titre d'exemple : le diamètre apparent θ, en radians, du premier anneau sombre de la tache de diffraction (tache d'Airy) obtenue dans un cas "idéal" (étoile parfaitement circulaire, etc.) est

θ = 1,22 λ/D

où λ la longueur d'onde de la lumière considérée, et D le diamètre du miroir du télescope.

De cette formule découle l'expression souvent trouvée dans les livres et donnant le pouvoir séparateur d'un télescope limité par la diffraction pour une longueur d'onde dans le vert :

pouvoir séparateur en secondes d'angle = 12"/D

Joint à la nécessité de recevoir la plus grande quantité de lumière possible pour avoir des images plus lumineuses, ceci explique pourquoi on fabrique des télescopes avec des miroirs de grand diamètre. Plus le diamètre est grand, plus il y a de lumière et moins il y a de diffraction : les performances du télescope sont ainsi optimisées. Hubble est ainsi un télescope de 2,4 m de diamètre, le VLT fait 8,2 m de diamètre.

Cependant, construire des miroirs immenses pose de nouveaux problèmes : comment construire un miroir de cette taille et qui ait en même temps exactement la forme désirée?

Un télescope classique de 4 à 5 mètres de diamètres a une masse de... 15 tonnes environ!! Comment faire pour construire encore plus large?... Les solutions choisies sont diverses...

On utilise dans certains cas un ensemble de miroirs qui couvrent un diamètre total D, plutôt qu'un seul miroir de ce diamètre... Le premier télescope de ce genre a été le MMT ( Multiple Mirror Telescope) du Mont Hopkins, en Arizona, mis en service en 1979, et constitué de 6 miroirs de 1,8 m de diamètre chacun, et qui équivalent à un grand miroir de 4,5 m de diamètre.D'autres télescopes utilisant la même idée ont suivi, dont les télescopes Keck (le premier date de 1993) composés de plusieurs miroirs en losange pour un diamètre total de 10 mètres.

On a aussi utilisé des miroirs d'un seul tenant mais plus minces que les miroirs classiques. Ils doivent alors être pourvus de vérins permettant de compenser en temps réel les déformations du miroir sous l'effet de la gravité. Le premier du genre fut le télescope Européen NTT (New Technology Telesctope) de l'ESO à La Silla, mis en service en 1989. Ce fut le début des télescopes actifs.

On a enfin parfois utilisé des miroirs liquides (par exemple l'ILMT de 4 m de diamètre au Chili) : un liquide mis en mouvement de rotation se creuse, et prend la forme d'une parabole de révolution. Pourvu que la vitesse de rotation du "miroir liquide" soit adaptée, on devrait pouvoir lui donner la forme désirée...

Pollution lumineuse, turbulences de l'atmosphère, et optique adaptative :

Ceci n'épuise toutefois pas le sujet des limites de vision des télescopes. Ci-dessus, nous avons cités les principales limites théoriques aux peformances d'un télescope, mais on se heurte aussi à d'autres limites, pratiques cette fois...

Ceci n'épuise toutefois pas le sujet des limites de vision des télescopes. Ci-dessus, nous avons cités les principales limites théoriques aux peformances d'un télescope, mais on se heurte aussi à d'autres limites, pratiques cette fois...

Sur Terre, la pollution lumineuse oblige les astronomes à installer les télescopes dans des zones isolées.

Les solutions à ce problème sont de deux ordres :

envoyer des télescopes dans l'espace

C'est dans ce but qu'a été construit le télescope Hubble. Dans l'espace, il n'y a ni atmosphère, ni pollution lumineuse...

compenser les turbulences sur Terre

Ceci est une tâche difficile, mais qui a été rendue possible par l'invention de l'optique adaptative.


Dans le cadre de l'optique adaptative, on suppose que l'on dispose d'une étoile bien connue qui peut servir de référence. On analyse comment l'image de cette étoile obtenue par le télescope est perturbée par les turbulences atmosphériques. Ceci permet de déterminer l'effet de ces perturbations sur la lumière qui nous arrive de cette portion de ciel. Le télescope possède un miroir déformable (constitué d'une multitude de petits miroirs mobiles commandés par ordinateur). Connaisant l'effet des turbulences atmosphériques sur la lumière qui nous arrive, on compense cet effet en déformant légèrement le miroir en conséquence. L'optique adaptative a permis une très grande amélioration dans les performances des télescopes terrestres.

Conclusion

Les performances réelles d'un télescope sont bien en-dessous des performances théoriques que l'on peut calculer dans le cadre de l'optique géométrique, même en supposant les aberrations purement géométriques éliminées (ce qui n'est pas toujours certain... Les aberrations découvertes sur le télescope Hubble après son lancement ont dû être corrigées sur place avant qu'il puisse prendre du service). Luminosité de l'image, mais aussi diffraction, pollution lumineuse ou turbulences, apportent chacune de nouvelles limites aux résultats que l'on peut espérer obtenir. Le plus grand pas dans l'amélioration des performances des télescopes terrestres accompli récemment est certainement l'invention de l'optique adaptative. Nous n'avons fait qu'effleurer ce sujet ici, en terme très simples... Cette technique mérite en effet un autre article à elle toute seule...

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