Optimiser l'observation de Mars
par Philippe Morel,
Société Astronomique de France
- Mis en ligne le : 6 Juillet 2003 -
L'apparition actuelle de la planète Mars va donner lieu à un grand nombre d'observations et même s'il est vrai que les observations visuelles seront largement supplantées par les images webcam ou CCD, réunir les conditions nécessaires à l'obtention d'une belle image est, à terme, un plaisir pour l'observateur voulant s'offrir un spectacle visuel de qualité et un passage obligé pour qui veut réaliser les meilleurs clichés. Cette article n'est pas la suite annoncée de celui paru il y a quelques mois sous le titre "Les secrets du faux disque", [1], mais il sera à nouveau question de tache de diffraction.
I. Œil et récepteurs
La rétine est constituée de trois couches. La plus profonde contient deux types de cellules nerveuses photoréceptrices : les cônes et les bâtonnets. La seconde couche est faite de cellules bipolaires : il s’agit d’une transition entre la première et la troisième couche constituée de cellules ganglionnaires se prolongeant d’axones conduisant l’influx nerveux vers le cerveau via le nerf optique [Fig.1]. Selon le type de cellule photosensible, la connexion aux cellules ganglionnaires est différente.
Les cellules réceptrices sont de deux types : les cônes et les bâtonnets. Ils sont les déterminants de la vision colorée, du pouvoir séparateur de l’œil et de sa capacité à capter de faibles lumières.
Les cônes
Au nombre de 6,4 millions dans la rétine [2], ils sont les constituants de la vision colorée et de la résolution spatiale de l’oeil. Ils sont concentrés sur l’axe optique sur une zone de 3 mm de diamètre entourée d’une couronne de 1mm de largeur où ils sont présents en moins grand nombre. Au centre de la fovéa on en trouve environ 161900/mm², [3], [Fig. 2].
Chaque cônes de l’aire centrale de la fovéa est connecté à une cellule ganglionnaire : chaque " point " image est restitué. A la périphérie de cette zone on compte en moyenne 2,2 cônes pour une cellule ganglionnaire. Plus on s’éloigne du centre de la fovéa et moins bonnes seront
Connaissant la distance focale de l’optique de l’oeil (environ 25mm), cette zone de 3 mm de diamètre couvre un champ d’un peu moins de 14° dédiés à la perception des couleurs et à la résolution spatiale en lumière du jour puisque ces cellules sont inactives en vision nocturne. Cependant, le champ de pleine acuité visuelle ne dépasse pas 3° d’angle.
L’observation planétaire faisant appel tant à la résolution qu’à la perception des nuances colorées et des faibles contrastes, la rétine devra être mise en conditions d’utilisation diurne et il faudra regarder en vision directe.
Il existe trois types de cônes selon leur sensibilité à la couleur, [Fig. 3] :
- les cônes rouges ou cônes " L ", dont la sensibilité spectrale est centrée à 575 nm représentent 64% du total des cônes. Ils sont aussi plus sensibles à la lumière que les cônes verts.
- les cônes verts ou cônes " M ", dont la sensibilité spectrale est centrée à 525 nm représentent 32% du total des cônes. Ils sont moins sensibles à la lumière.
- les cônes bleus ou cônes " S ", dont la sensibilité spectrale est centrée à 425 nm représentent 4% du total des cônes. Ils sont beaucoup plus sensibles à la lumière que les M et les L mais sont situés en grande majorité en dehors de la fovéa.
Ils sont à l’origine de la vision diurne ou photopique. Le très grand nombre de L et de M par rapport aux S explique pourquoi on ne perçoit pas le chromatisme de l’optique de l’œil. En vision photopique, la sensibilité spectrale de l’œil est placée aux environs de 550nm.
La très petite quantité de S dans la fovéa a une conséquence pratique. Nous avons vu dans l’article " Les secrets du faux disque ", [1], que la résolution maximale d’une optique était obtenue pour la lumière bleue mais la vision fovéale est très peu sensible à cette couleur. A l’inverse, il faut très peu de lumière pour exciter ces cônes. L’expérience pratique visuelle montre cependant que, même en lumière bleue, l’acuité visuelle fovéale est supérieure.
Les cônes fovéaux déterminent l’acuité visuelle sur laquelle nous reviendrons plus loin.
Les bâtonnets
Au nombre de 120 millions ils sont très sensibles à la lumière mais insensibles aux couleurs. Absents du centre de la fovéa ils sont les plus nombreux à environ 20° de l’axe optique (environ 140000/mm² pour 2000 cônes/mm²), [Fig. 2]. Dans cette zone, l’œil est le plus sensible à la lumière. Le champ nasal est toutefois amputé sur une zone de 2 x 1,5 mm : la tache aveugle. La résolution spatiale de la rétine latérale est très mauvaise car chaque cellule ganglionnaire ne prend pas en charge un, mais quelques dizaines de bâtonnets. La seule couleur perceptible moyennant un peu de lumière est le bleu-vert : en vision nocturne ou scotopique.
II. Vision et observation planétaire
La résolution spatiale conditionne le pouvoir séparateur et la sensibilité de la rétine, sa faculté à percevoir des détails faiblement contrastés, même si leur dimension apparente les place au-dessous du pouvoir séparateur.
La résolution spatiale
La résolution spatiale de l’œil est appréciée au moyen de mires de Foucault visualisant une alternance de lignes noires et blanches de pas variable en faisant varier le contraste et l’éclairement. Si deux plages sont inégalement lumineuses nous appelons contraste (g ) la différence relative de leurs brillances,[4] :
g = (B – b) / B (1)
Dans ces conditions, l’œil distingue des détails séparés de 60’’ d’angle. Cette limite de 60’’ d’angle permet de définir le grossissement résolvant, c’est à dire du grossissement nécessaire pour donner au plus petit détail séparable par l’optique une dimension apparente égale à 60’’ d’angle et donc, à même d’être séparé par l’œil placé derrière l’oculaire.
Si l est la longueur d’onde de la lumière et D le diamètre de l’optique, le pouvoir séparateur p de l’objectif est donné par la formule :
p = 213897 x l / D » 2,14 x 105 x l / D (2)
Cela donne :
p » 8,5 / D pour la lumière bleue,
p » 12 / D pour la lumière jaune,
p » 17 / D pour la lumière rouge.
Le grossissement résolvant Gr, va donc varier avec la longueur d’onde de la lumière et prend pour forme :
Gr = 28 x 105 x D / l (3)
Ce qui donne pour D exprimé en millimètres :
Gr » 0,35 x D pour la lumière rouge,
Gr » 0,51 x D » D / 2 pour la lumière jaune, (4)
Gr » 0,70 x D pour la lumière bleue. (5)
En utilisant la formule communément admise (4) nous obtenons donc le grossissement résolvant pour le jaune et le rouge mais pas pour le bleu. Mieux vaut donc utiliser la formule (5) et considérer que :
Gr » 0,70 x D
…correspondant à un diamètre dp de la pupille de sortie égal à :
dp = 1,4 mm
…et si F est la distance focale de l’objectif, à une focale f de l’oculaire de :
f = dp x (F/D) = 1,4 x (F/D)
Cette condition ne tient compte que de la résolution spatiale de l’œil sans tenir compte de sa sensibilité qui sera abordée plus bas.
Planète Mars et filtres colorés
Sans entrer dans le détail de la constitution physique de la planète rouge détaillée de manière exhaustive dans l’ouvrage " Au plus près de la Planète Mars " récemment édité par les Editions Vuibert et la SAF, voici résumé ici l’usage des filtres colorés les plus utilisés :
Bleu : Wratten 44A, 47B ou 80A : nuages d’altitude,
Vert : Wratten 58 : limites de la calotte polaire,
Jaune : Wratten 8, 12 ou 15 : tempêtes de poussières,
Orange : Wratten 21 : renforce les détails,
Rouge : Wratten 23A, 25 ou 25A : renforce les contrastes sur les grandes ouvertures.
Les images filtrées dans le rouge paraîtront moins turbulentes mais, nous l’avons vu, offriront une moindre résolution spatiale et, de ce fait, seront beaucoup plus tolérantes vis-à-vis des défauts de collimation. Ce sera exactement l’inverse pour les images filtrées dans le bleu.
La sensibilité
La dimension moyenne d’un cône placé dans la fovéa est d’environ 5 micromètres. Une image focale inférieure à cette dimension ne couvre pas toute l'aire des cônes sur lesquels elle se projette mais cette image apparaît si elle est suffisamment lumineuse ou contrastée et semblera d'autant plus large que la lumière émise par lui excite davantage les récepteurs rencontrés. Des détails bien plus petits que 60’’ peuvent donc être perçus s’ils sont suffisamment lumineux ou contrastés mais ils ne sont pas séparés. Ils ne le sont que s’ils rencontrent deux cônes différents, leur imposant donc une séparation de 60’’, [5].
La visibilité d’un trait unique dépend du contraste g entre le trait et le fond, formule (1)., par bon éclairement L’œil humain perçoit un contraste de 1/200ème. Une planète brillante comme Mars sera donc facile à détailler.
Les performances sont bien meilleures encore s’il s’agit de percevoir une tache circulaire noire sur fond clair :
- 31’’ pour un contraste de 1,
- 35’’ pour un contraste de 0,8,
- 43’’ pour un contraste de 0,5,
…ou une tache circulaire claire sur fond obscur :
- 25’’ pour un contraste de 1,
- 28’’ pour un contraste de 0,7,
- 35’’ pour un contraste de 0,4, [6].
Cette propriété nous permet d’admirer la division de Cassini dans l’anneau de Saturne…et a conduit de nombreux observateurs à couvrir Mars de nombreux canaux qui ont fait couler beaucoup d’encre.
La rétine ne fait cependant pas tout : elle reçoit l’image formée par le compartiment antérieur de l’œil et en 1937, les français Charles Fabry et Albert Arnulf ont montré une grande amélioration de la qualité optique de l’œil en le diaphragmant à 0,5 - 0,7 mm. L’œil peut alors être considéré comme parfait. Rien ne sert donc d’utiliser une pupille de sortie plus grande que 0,7 mm.
Cette condition permet de fixer le grossissement maximal optimal G à utiliser :
G = D / dp = 2 x D si D est exprimé en millimètres
En conclusion
La vision diurne préside à l’observation des planètes car la perception des couleurs et contraste est bien meilleure qu’en vision nocturne,
L’observation de Mars, comme des autres planètes nécessite des grossissements allant de 0,7 à 2 fois le diamètre de l’optique exprimé en millimètres,
L’utilisation de filtres colorés est indispensable,
Le pouvoir séparateur théorique ne conditionne pas toutes les caractéristiques de l’image,
Même s’il ne peut les séparer, l’œil peut percevoir des formations d’une dimension apparente bien inférieure au pouvoir séparateur si ces dernières sont suffisamment lumineuses et contrastées,
Un filtre rouge laissera passer des images moins turbulentes mais aussi d’une moindre résolution spatiale,
Le filtre rouge rendra l’image beaucoup plus tolérantes vis-à-vis des défauts de collimation,
Un filtre bleu laissera passer des images plus turbulentes mais aussi d’une meilleure résolution spatiale. La faible sensibilité au bleu de la vision diurne, due à la rareté des cônes bleus dans la fovéa peut donner une impression de forte absorption de la lumière au travers de ce filtre.
Le filtre bleu ne pardonne aucun défauts de collimation,
Bibliographie
[1] : Morel P. : " Les secrets du faux disque ", " l’Astronomie ", Vol. 117, pp. 98-99, SAF, Paris, 2003.
[2] : Osterberg G. : " Topography of the layers of rods and cones in the human retina ", " Acta Ophtalmologica ", Suppl. 6, pp. 1-103.
[3] : Curcio C.A., Sloan K.R. Packer O. et coll : " Distribution of cones in human and monkey retina : individual variability and radial asymetry ", " Science ", Vol. 236, pp. 579-582.
[4] : Dragesco J. : " Observation visuelle de Mars ", dans Morel P. et coll : " Au plus près de la Planète Mars ", Vuibert / SAF, Paris, juillet 2003.
[5] : Bouasse H. : " Optique et Photométrie dites géométriques ", Delagrave, Paris, 1934.
[6] : Dragesco J. : " La vision dans les grands instruments astronomiques et l’observation physique des surfaces planétaires ", " l’Astronomie ", SAF, Vol. 83, pp. 355-365 ; 399-400 ; 439-447 , Paris, 1969.
[7] : Fabry C., Arnulf A. : " La vision dans les instruments ", Ed Revue d’Optique, Paris, 1937.
Illustrations
[Fig. 1] : Coupe de la rétine.
[Fig. 2] : Répartition des cônes et des bâtonnets dans la rétine humaine.
[Fig. 3] : Sensibilité spectrale des cônes.
Philippe Morel.
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