Le Newton


Sommaire

Formule du télescope de Newton

Le principe optique du télescope de Newton est bien connu et je ne m'attarde pas sur ce sujet ; je préfère présenter ses caractéristiques de façon non conventionnelle.

En préambule, je rappelle que la qualité d'un système optique est liée :

- à la qualité de la formule,
- à la qualité de la réalisation (et du réglage).

Les avantages

En ce qui concerne la formule, le Newton, avec miroir parabolique, partage avec le Cassegrain classique la particularité de constituer une formule optique mathématiquement parfaite sur l'axe : les formules du Newton et du Cassegrain ne souffrent en effet d'aucun compromis contrairement à la quasi-totalité des autres systèmes optiques (télescopes catadioptriques et lunettes apo/achromatiques) dont les multiples surfaces compensent, plus ou moins mais jamais à 100%, les aberrations inhérentes à leur formule.

Ainsi, il est théoriquement possible de réaliser un télescope parfait (sur l'axe) respectant le critère de Françon (lambda/16) alors que les meilleurs systèmes catadioptriques ou les lunettes, fussent ils de la meilleure qualité possible ne dépassent guère lambda/8 ou lambda/10 (ce qui est déjà très bon mais ne prend pas en compte les aberrations chromatiques de toutes sortes) ceci parce que les imperfections de réalisations se cumulent avec les imperfections de conception.

Par ailleurs, le télescope de Newton présente l'avantage unique de ne comporter que deux surfaces optiques ; le Cassegrain, utilisé le plus souvent avec un renvoi coudé, présente déjà en pratique trois surfaces optiques. Même si ces deux surfaces ne sont pas les plus simples à réaliser, cela représente un avantage en terme de transmission globale.

Malgré tout, l'obstruction dégrade légèrement le contraste (en fait, tout se passe comme si l'obstruction dégradait la formule.) mais le Newton est généralement moins obstrué que les autres systèmes à miroir et c'est un avantage non négligeable pour l'observation des contrastes planétaires. L'obstruction peut être réduite à 20% pour un télescope à F/D=6 et 25% pour un télescope à F/D=5.

A voir à ce propos : Qualité optiques et grand diamètres, Les critères

Enfin, la position de l'oculaire dans le Newton est tout à fait favorable à l'élaboration de montures azimutales simples et très stables.

Les inconvénients

Le télescope de Newton n'est parfait "que" sur l'axe et sa formule se dégrade vite hors axe. Hors axe, la lunette achromatique à objectif aplanétique présente alors une évidente supériorité de même que le Maksutov de type Rumak (secondaire indépendant) ; il est à noter que ce qui vaut pour le Newton vaut également pour les catadioptriques de type Schmidt Cassegrain compacts ou les Maksutov de type Gregory (secondaire aluminé sur le ménisque) dont la correction hors axe est aussi très limitée et seulement un peu supérieure à celle d'un Newton (souvent d'ailleurs le simple fait d'un rapport F/D plus important). Cet inconvénient impose une vérification fréquente de la collimation et pour la haute résolution, le centrage des objets (planètes) dans le champ de l'oculaire.

Par ailleurs, le tube est ouvert et les effets thermiques sont souvent (*) plus importants qu'avec un tube fermé. Ces effets ont deux origines :

1) D'une part les remous entre l'intérieur du tube et l'air extérieur, surtout lorsque le tube vient d'être sorti : ce phénomène se manifeste par des images turbulentes et une perte importante de contraste et de résolution ; ce phénomène est fortement réduit par une mise en température préalable (~au moins 1h pour 10° d'écart) mais il peut perdurer en particulier si la température diminue au cours de la nuit. Le cas échéant, une ventilation naturelle ou mécanique permet d'accélérer la mise en température de même qu'un tube court de diamètre généreux.

2) Le rayonnement propre des parois du tube (s'il est trop étroit), du porte secondaire (surtout s'il est peint en noir mat) et du miroir qui se manifestent par des lames d'air franchement turbulentes lors de la sortie du tube puis progressivement de plus en plus stables (**) ; mais cette stabilité apparente cache parfois des indices d'air différents pouvant altérer la figure de diffraction sans pour autant produire de turbulence visible : ces effets ne disparaissent pas complètement après mise en température et peuvent être la cause d'une diminution de contraste. L'augmentation du diamètre du tube (+50mm par rapport au diamètre du miroir) permet de minimiser ou d'annuler ces effets de même que l'utilisation de matériaux isolants à faible rayonnement (carbone, bois) mais alors avec une augmentation du délai de mise en température (rien n'est simple...).

A ce sujet, il est regrettable que la plupart des télescopes à tube ouvert du commerce soient livrés dans des tubes métalliques trop étroits.

Toutefois, il faut comparer les instruments à performances comparables : un 200 mm ouvert de "haute performance" optimisé pour l'observation planétaire est équivalent à un SCT ou un MAK de 250 qui met assez longtemps à se stabiliser malgré (et parfois surtout à cause) de son tube fermé et/ou d'une mauvaise conception thermique et le tube ouvert a tout de même un avantage par rapport à un tube équipé d'une lame de fermeture : il est relativement insensible à la buée.

Enfin, la position de l'oculaire permet rarement d'observer assis surtout en équatorial où le tube tourne : l'oculaire se retrouve parfois dans des positions peu confortables pour l'observation.

(*) Le sujet est loin d'être évident et "entendu"...

(**) En outre, à chaque passage dans le tube, le front d'onde est altéré, soit : deux fois dans un Newton, trois fois dans un Cassegrain et seulement une seule fois dans une lunette dont les rayons convergents ne longent pas vraiment les parois et dont l'objectif est idéalement placé à la température ambiante loin de l'observateur... La lunette est honteusement avantagée !

Incidence de la collimation et de la qualité

Compte tenu de la dégradation hors axe, le réglage (collimation) du Newton est absolument critique : pour fixer les idées de la précision requise, imaginez seulement que l'observation d'une planète comme Mars au foyer d'un Newton de 200mm à F/5 représente un diamètre d'environ 1/10mm à centrer dans un cercle d'environ 2mm de diamètre (au foyer) ! Dit autrement, cela fait un champ de pleine résolution sensiblement égal à 20 fois le diamètre de Mars ou 10 fois le diamètre de Jupiter ou encore sensiblement le champ d'un Plössl à 400X ce qui est finalement très peu. A ce niveau de précision, la qualité mécanique n'est pas à négliger non plus.

Lorsque que l'on combine défauts de collimation avec défauts optiques, voici ce qu'il advient des résultats :

- un Newton de 200/6 à lambda/16 et 20% d'obstruction tel qu'il peut être réalisé par un artisan sérieux et parfaitement collimaté est équivalent (dans le vide, certes...) à un objectif APO de 196mm !

- un Newton de 200/5 à lambda/3 et 30% d'obstruction (qui représente le standard du commerce pour des instruments réalisés de façon industrielle) est équivalent à un objectif parfait APO de 130mm (compte non tenu de l'état de surface et des défauts éventuels à pentes raides).

- le même télescope que ci-dessus décollimaté de lambda/2 (ce qui est très vite atteint) et avec un tout petit peu d'astigmatisme voit ses caractéristiques chuter au niveau de celles d'une lunette APO de 70 à 80mm !

Il y a donc une très grande marge de qualité effective entre deux télescopes Newton de même diamètre suivant leur provenance et leur conception ; et pour un même télescope, une grande marge de résultat effectif en fonction du soin apporté à la collimation. En passant, ceci s'appliquerait aussi au Schmidt Cassegrain mais c'est une autre histoire.

A voir à ce propos : Collimation du Newton (FAQ)

Autant dire que le Newton ne souffre pas de médiocrité dans sa réalisation et son réglage mais il n'existe qu'une poignée d'artisans dans le monde capables de réaliser des miroirs paraboliques de haute qualité (JM Lecleire, Astrorésolution ASTAM en France, Zambuto aux USAs.) et leurs productions sont tout aussi prisées que celles des opticiens de renom (AP, TAK...) fournissant des objectifs achromatiques.

Choix du rapport F/D et obstruction

Une considération importante est le choix du rapport F/D car les difficultés de réalisations et de réglages (et donc de coût) augmentent lorsque l'on diminue le rapport F/D. Le choix du rapport F/D résulte essentiellement de considérations pratiques (encombrement, facilité de transport.) mais il a une répercussion directe sur le % d'obstruction car un faible rapport F/D impose d'augmenter l'obstruction pour bénéficier d'un champ de pleine lumière suffisant ce qui n'est pas favorable aux observations planétaires.

Si le télescope est à vocation "planétaire", on cherchera une obstruction modérée (20% à 25%). Dans le cas d'un télescope destiné à la photographie ou à l'observation des grands champs, une forte obstruction sera nécessaire (par exemple 40%).

Le rapport F/D optimal (compromis entre les contraintes mécaniques et optiques) est de l'ordre de 5 à 6. En dessous de 5, la collimation devient très critique et un correcteur de coma peut s'avérer nécessaire pour la photographie ; par ailleurs, les oculaires compatibles avec un faisceau très ouvert sont moins nombreux et plus chers. Au dessus de 6, le tube long expose à des déformations élastiques (instabilité éventuelle des réglages) et de la prise au vent ce qui n'est guère favorable aux observations planétaires...

En tout état de cause, les affirmations selon lesquels un faible rapport F/D est inadapté aux planètes et qu'un télescope «ouvert» est préférable pour le ciel profond. sont erronées: la notion d'ouverture est relative à la photographie et n'a pas de sens en observation visuelle puisque la "luminosité" est commandée par le grossissement appliqué ; quant aux planètes, hormis la question de l'obstruction, si le télescope est bon sur l'axe, peut importe le rapport F/D. Est-ce que ceci cacherait un défaut de qualité sur les télescopes du commerce les plus courts ? Je n'ose l'imaginer ... malgré tout pour un télescope fabriqué en série il vaut mieux privilégier un grand rapport F/D gage d'une meilleure réalisation ; ceci vaut aussi bien pour les planètes que pour le reste et s'applique d'ailleurs à beaucoup de systèmes optiques.

Un télescope haute performance : le CTA/200

Jean Texereau (Construction du Télescope d'Amateur) a établi les bases de la conception et du contrôle du télescope Newton en mettant à la portée de l'amateur les notions complexes nécessaires à l'obtention d'une optique de qualité. Nous avons réalisé dans les années 1970, en famille, deux télescopes construits en suivant scrupuleusement ses indications tant pour ce qui concerne l'optique que le tube et la monture azimutale. Mon télescope est toujours en service.

T200 type CTA (J Texereau)

Une autre époque : le CTA 200 optimisé pour l'observation à haute résolution F/D = 6 - Obstruction 18%, PO Clavé des années 70...

...mais avec une révision récente par JM Lecleire (Astrotélescope) pour l'optique qui était imparfaite sur les bords extrêmes. L'optique du miroir a donc été retouchée par JML et le miroir plan Clavé a été contrôlé :


miroir superpoli, précision > l/16
secondaire Clavé (1970), précision > l/10

Au passage, je ne peux que louer la qualité du suivi d'Astrotélescope (possibilité de suivre l'évolution de la commande au jour le jour), l'exhaustivité du bulletin de contrôle livré avec des photographies et le respect des délais.

La monture isostatique Couder n'est pas simple à réaliser et n'est pas bon marché (en particulier l'axe en acier) ; ses mouvements sont très doux mais aujourd'hui, on préfère une monture Dobson bien conçue et plus facilement transportable. Les vibrations sont très vite amorties mais d'amplitudes relativement importantes du fait du porte à faux.

Quelques observations

Ce télescope auquel je suis très attaché, présente l'avantage d'être très vite mis en place. mais le désavantage de nécessiter une mise en température de trois heures minimales. Je dois d'ailleurs trouver une meilleur solution pour le ventiler.

Le start test montre des images totalement symétriques : il est impossible de détecter la moindre différence car les défauts résiduels sont largement en deça de la limite de détection du startest. Beta Delphinus (Mag 4.55 3.64 sep = 0.5") est vue allongée sans ambiguïté. La diffusion autour des étoiles brillantes est nulle et le fond du ciel totalement noir. Bref, alors là où il y a toujours un petit quelque chose à dire sur les autres instruments, ici rien... Fin du test !.

Quand les conditions atmosphériques s'y prêtent, les images fournies sont exceptionnelles ; ce qui frappe immédiatement par rapport à un autre instrument plus petit et néanmoins de bonne qualité (voir comparaison avec le Clavius), ce sont les couleurs qui apparaissent vraiment sur les planètes ; les détails, même s'il n'y en a pas beaucoup plus, apparaissent plus facilement visibles : ils sautent aux yeux alors que le Clavius, en comparaison, offre une vue en miniature en noir et blanc.

La comparaison avec l'APO TEC140 est également en faveur du Newton lorsque les conditions sont les plus favorables. Mais ce tube est malgré tout pénalisé par un équilibre thermique délicat à obtenir au contraire de la lunette que se joue de ce "détail"...

Télescope ASTAM

Mon T200 étant malheureusement intransportable, j'ai demandé à ASTAM de réaliser un tube optique léger en fibre de carbone avec un miroir de 200mm taillé à F/5.

Le tube complet avec chercheur, porte-oculaire et colliers (*) pèse 8 kg, se manipule très facilement et tient bien sur la monture GP-DX quoique l'équilibrage ne puisse jamais être totalement satisfaisant (comme avec tout Newton). Par ailleurs, un avantage appréciable est que le tube de 1000mm de long peut être transporté debout dans le coffre d'un monospace sans prendre trop de place par rapport aux bagages...

Le miroir de 203 mm (donné à lambda/25) et le miroir plan de 45 mm (obstruction 22%) sont excellents donnant des images très contrastées à fort grossissement. Le start test à 500X est irréprochable sans aucun signe d'astigmatisme ou d'aberration de sphéricité marquée (anneaux très discrets). J'ai refait le bulletin de Foucault et j'ai trouvé encore un peu mieux qu'Astam (L/25). Ceci ne dit rien sur la qualité RMS cependant et je n'ai pas pu faire de Roddier par manque de backfocus en intra-focal.

La mise en température est relativement rapide (environ 1h pour 10°C) et aucune turbulence de tube n'est à déplorer grace au faible rayonnement de la fibre de carbone mais aussi au diamètre généreux du tube (250 mm intérieur).

Hormis une meilleure stabilité thermique dans le tube en fibre de carbone, je ne vois cependant pas de différence à l'oculaire entre les deux télescopes de 200 mm (Astam/Astrotélescope). Les images de Saturne sont magnifiques et colorées avec un anneau de crêpe particulièrement présent accentuant l'effet de relief de cette planète ; six satellites sont facilement visibles et j'ai eu l'impression (cependant non confirmée) d'observer la division d'Encke aux bords extrêmes. Sur Mars, lors de l'opposition de 2005, les images se sont avérées excellentes, ciselées, avec une grande richesse des nuances d'albédo surpassant la TEC140 en monoculaire (la TEC140 en binoculaire égalant ou surpassant le Newton). L'observation motorisée est un plus très appréciable pour détecter les plus fins détails...

Disposant de la TEC 140 pour l'observation à grand champ, j'ai sacrifié le champ au bénéfice d'une obstruction modérée (22%) permettant d'excellentes observations planétaires ; effectivement le 200 mm est, lorsque les conditions s'y prêtent, incontestablement supérieur à la lunette apochromatique en planétaire.... et avec une champ de pleine lumière d'environ 27' (légèrement supérieur à celui de n'importe quel Schmidt Cassegrain du commerce) de très bonnes observations de la lune ou du ciel profond sont possibles.

Le porte oculaire, du type à cabestan, est très agréable à utiliser mais n'est pas adapté à l'astrop-photo et, évidemment, absolument inutilisable avec une tête binoculaire ; malgré tout je l'utilise avec une caméra Vidéo Mallincam VSS ; j'utilise principalement les oculaires Vixen LVW au format 2" sur ce télescope et ces derniers conviennent particulièrement bien, y compris les focales les plus longues.


Porte oculaire 2" et chercheur 7X50 ASTAM - Foucault (maison) miroir Astam

La finition est moyenne (façon Astam) mais suffisante pour un télescope. La mécanique ASTAM est rudimentaire mais efficace : le barillet du miroir principal et le support du secondaire supportent le retournement du tube sans décollimation et la collimation contrôlée à 500X est très stable après de nombreuses mises en station et manipulations.


Tube 203 mm léger en fibre de carbone sur monture GP-DX.
F/5 et obstruction modérée (22%)
Noter la position de l'oculaire par rapport à l'axe de déclinaison.

Le point faible de tout télescope Newton monté en équatorial est la position jugée parfois peu confortable de l'oculaire suivant l'orientation du tube. J'ai finalement déterminé que la position la meilleure est celle où l'oculaire est disposé parallèlement à l'axe de déclinaison et orienté vers le contre-poids. De cette façon,on ne se prend pas les jambes dans le contrepoids et toutes les positions d'observations (sauf celle de la vue de gauche, peu utile en pratique) sont facilement accessibles et en regardant vers le bas ce qui est infiniment plus confortable que de se tordre le cou pour regarder vers le haut ; accessoirement, l'oculaire soumis à la gravité, ne peut jamais échapper au porte oculaire (cela arrive...). Enfin, en observant des planètes au méridien, l'oculaire est horizontal ce qui favorise une observation assis. Il reste que le chercheur est assez souvent inaccessible (merci au GOTO !). Sur un tube plus long, le raisonnement pourrait être différent et une rotation du tube peut s'imposer. Mais je m'amuse toujours de ce que les photographies publicitaires montrent systématiquement les Newton pointant le pôle avec l'oculaire sur le côté : cette position est vraiment la plus inconfortable !

Un télescope équipé d'un miroir artisanal de qualité ne se trouve pas en magasin et se mérite : 18 mois d'attente à l'époque mais Astam né'tait pas vraiment réputé pour des délais courts ! La transportabilité du tube, son excellente qualité optique et ses caractéristiques thermiques (pour un Newton) sont à ce prix. Bien entendu, lors de la commande, j'ai hésité avec un diamètre un peu plus important (250 mm à F/4 + correcteur de coma) mais après étude, le poids et l'encombrement du tube étaient jugé incompatible avec mon équipement (GP-DX) ce qui était peut être pessimiste... Mais il est indéniable que le tube de 200 mm à F/5, de haute qualité optique et de 1000 mm de longueur présente un très bon rapport transportabilité/possibilité d'observations. J'ai aussi le sentiment qu'au delà de 200 mm, il est préférable de monter un Newton en altazimutal compte tenu de la difficulté d'équilibrer un long tube sur une monture allemande et des difficultés d'accès à l'oculaire.

Toutefois, j'avoue que, au vu des résultats obtenus avec la TEC140, un diamètre un peu plus important aurait certainement constitué un meilleur complément.

(*) Les colliers ont été réalisés sur mesure par Orion UK (les colliers ASTAM ne sont pas utilisables sur ce type de monture et trop lourds).
(**) +/-25" avec le Newton alors qu'elle se réduit à +/-15" avec la TEC140 plus lourde mais parfaitement équilibrée.

Conclusions

Bien que le Newton soit l'instrument astronomique le plus répandu, ses contraintes d'utilisation sont souvent mal connues des débutants et sources de déceptions , notamment collimation absolue, centrage des objets et stabilisation thermique.

J'espère que cette page vous a permis de mieux comprendre «l'abîme» qu'il y a entre un télescope de Newton bien fait, bien réglé et un télescope de Newton médiocre et toujours déréglé. Si vous n'êtes pas satisfait de votre Newton, alors je vous incite à le réviser, éventuellement confier la retouche du miroir à un artisan, soigner le support du miroir et sa collimation. Vous n'imaginez peut être pas l'exceptionnelle qualité des images que vous pouvez obtenir.