Nos outils pour sonder l'univers

Les arpenteurs du ciel (I)

Alors que le jour s'éteint, sur le promontoire d’une montagne aux avant-postes de l'univers, une coupole s'entrouvre. Dans l'ouverture rougeâtre se dessine un télescope aux dimensions peu communes. Quelques instants plus tard l'oeil brillant du géant s'anime, portant son regard vers l'infini. Machinalement nous suivons ses mouvements et une question vient naturellement à notre esprit : Que cache le firmament ?

Il fut une époque où cette question était débattue d'un stricte point de vue philosophique, même métaphysique. Mais depuis que l'homme "s'est juché sur des épaules de géants" comme le dit Newton ses investigations lui permirent d'accéder à l'envers du décor cosmique. Ces découvertes permirent aux hommes de sciences de déduire une série de théories qui expliquent tant bien que mal - plutôt même bien - le comportement de la Nature.

Malgré nos lois parfois très austères, on ne peut que s'émerveiller devant notre compréhension du spectacle de la Nature. Nous nous délectons de sa beauté et quelque part en nous, nous préservons ce regard du poète.

L'astronomie reste une science de l'aventure. On parcourt près de la moitié de la Terre pour observer une occultation d'astéroïde dans un atoll de Polynésie; on s'enfonce dans le continent Antarctique pour récolter des météorites inviolées par les déchets chimiques; on monte en ballon stratosphérique pour assister à une éruption solaire chromosphérique exceptionnelle dans le rayonnement ultraviolet; on émigre dans le désert du Nouveau Mexique pour écouter la musique des étoiles et déceler une autre forme de vie dans l'univers; on s'installe sur des sommets enneigés à plus de 4000 m d'altitude pour mener à bon terme un programme d'astronomie. Enfin, nous n'hésitons pas à déposer nos hommes sur la Lune, appareils photographiques aux poings !

Cette aventure de l'espace est actuelle. Grâce aux satellites en orbite autour de la Terre et pointés vers des régions du ciel inaccessibles depuis le sol, l'astronome s'est permis d'imaginer que tout lui était à présent possible. Il connaît le rythme de pulsation du coeur des pulsars, il a vu des étoiles aussi brillantes que cent mille soleils, il sait que l'étoile Eta Carina est en train de souffrir et finira par exploser, il a vu une galaxie naître car sa lumière l'a quittée il y a plus de 10 milliards d'années, il a observé des nébuleuses aux couleurs vives plus chaudes que la surface du Soleil, il a vu des vents de tempête sur Mars qui soulevaient le sable à plus de 500 km/h et des cyclones sur Jupiter aussi vaste que la Terre !

A consulter : Comment devenir astronome ?

Dans la salle de contrôle de l'observatoire, un pic d'émission vient d'apparaître sur l'écran de son ordinateur : le satellite en orbite polaire est là, prêt à lui débiter ses informations durant 15 minutes. Jusqu'en 1970 environ, cet astronome était un professionnel, militaire ou civil attaché à un centre international de recherche. Aujourd'hui, nous découvrons un amateur, fou d'astronomie peut-être, mais épris par l'une des plus belles sciences. Une science qui débuta dans les temps immémoriaux quand l'homme et la femme observèrent la succession des saisons, le mouvement de la Lune et des étoiles errantes parmi les constellations.

Cette curiosité pleine de poésie qui entoure l'astronomie est symbolisée de nos jours par la grâce des paraboles des radiotélescopes orientées vers le ciel et les coupoles scintillantes des observatoires érigés ci et là. 

Tout cela a débuté dans l'isolement de quelques génies, observateurs et constructeurs, qui transcrivirent sur le papier les nouvelles idées qui parcouraient leur esprit, en éprouvant ce qu'un observateur ressent quand il découvre une étoile ou une comète : être le seul à l'avoir fait, comme lui souhaitant la bienvenue. Cette grisante aventure porte un nom : le feu sacré et quelquefois, le génie.

Pour cerner les problèmes que nous posent les astres, rien de tel que de s'en rapprocher le plus possible. Quels moyens la science met-elle à notre disposition ? Principalement le télescope et la lunette astronomique qui captent les rayons lumineux, le spectroscope qui nous renseigne sur la nature chimique des astres, le radiotélescope qui capte les ondes radios, enfin l'astronautique qui offre le plus d'avantages ainsi que nous allons le découvrir.

Lunette et télescope

En Californie, à quelque 80 km au sud de Pasadena se trouve l’un des télescopes les plus prestigieux du monde qui resta longtemps sans rival. Son nom est associé aux célèbres astronomes Hubble, Baade, Sandage et consorts : c’est l’Observatoire Hale du mont Palomar. Cet instrument très impressionnant permet d’explorer les profondeurs de l'Univers avec une telle précision qu’il a servit de modèle aux prototypes ultérieurs : le VLT, Keck, Gemini, Subaru et bien d'autres, dont la taille atteint aujourd’hui 10 m de diamètre et quatre fois plus dans quelques années !

Quel avantage procure donc le télescope sur la lunette astronomique ? Rappelons brièvement l'histoire de ces inventions et la différence fondamentale qui existe entre ces deux instruments.

Les historiens considèrent que la lunette astronomique fut inventée un jour de septembre 1608 par le lunetier hollandais Hans Lippershey[1]. Cet instrument terrestre aux performances modestes grossissait 4 fois et disposait d'un objectif composé de deux lentilles, l'une convexe pour agrandir l'image, l'autre concave pour assurer sa netteté. Tellement simple à construire et donc libérée des brevets de propriété, sa construction appartenait au domaine public. En quelques semaines, on la retrouva dans les pays limitrophes où elle fut imitée. En 1609 plusieurs exemplaires parvinrent en Italie où Galilée l'améliora pour observer le ciel. Il la commercialisa à son tour, expédiant de magnifiques répliques à ses amis et relations dans toute l'Europe. Son instrument grossissait 30 fois, "si excellent écrivait-il, que ce qu'on observe à travers lui apparaît près de mille fois plus grand [...] que si on le voit seulement grâce à la vision naturelle "[2]. Grâce à son invention, les découvertes astronomiques se succéderont sans jamais fléchir.  

Dans une lunette astronomique, la lumière est recueillie par un objectif formé par la juxtaposition de plusieurs lentilles à indices de réfraction[3] différents, de façon à corriger les aberrations chromatiques, de sphéricité et l'astigmatisme qui produisent des images irisées ou déformées. 

Un problème technique, délicat à résoudre, concerne la pureté du verre à travers lequel la lumière doit passer sans subir la moindre perturbation. Les lentilles formant l'objectif n'étant maintenues que par leur profil, eu égard à leur poids il s'avéra rapidement impossible de construire des lunettes de grand diamètre car les déformations du verre les rendaient inutilisables. Les plus grandes atteignent malgré tout un mètre de diamètre (Observatoires de Paris, Lick, Yerkes, etc.).

Le grossissement est effectué par l'oculaire constitué d’un ensemble optique convergent. Il se calcule en divisant la distance focale de l'objectif par la distance focale de l'oculaire ou du système optique équivalent.

Le télescope fut amélioré par Newton en 1671 et comporte un objectif à miroir. Il exploite le principe de la réflexion de la lumière, déjà découvert au VIII^eme siècle avant Jésus-Christ[4]. 

Un problème important et qui se pose immédiatement lors de l'utilisation des miroirs, est celui de la déformation des images. Pour éviter toute détérioration, le miroir peut être entièrement supporté par un barillet. L'objectif est constitué d’un miroir concave taillé dans un verre à faible dilatation et parabolique, la seule courbure utilisable pratiquement[5]. Il est soigneusement poli, quelquefois jusqu'au 1/60^eme de la longueur d'onde de travail et recouvert d'une mince pellicule d'aluminium par sublimation sous vide.

Un miroir d'excellente qualité offre un pouvoir réflecteur proche de 99% (comparé au matériel amateur dont les entrées de gamme atteignent difficilement 90%). La lumière d'une étoile qui tombe sur cet objectif est réfléchie vers un miroir auxiliaire qui assure la transition vers l'oculaire. A l'inverse des lentilles, ils ne présentent pas d'aberrations chromatiques, d'où leur utilisation de préférence pour la photographie du ciel.

Prochain chapitre

Les défis technologiques