Une brève histoire du télescope...
Cette page est destinée à donner quelques notions à celui qui se pose des questions sur l'histoire du télescope. Il est loin d'être complet, sera complété au fil du temps...
Télescope ?
Dans cet article, nous parlons de l'histoire du télescope et de la lunette astronomique. Le terme de télescope peut porter à confusion ; en effet, dans la langue anglaise, lunette astronomique se traduit par "refracting telescope", alors que le télescope se traduit par "reflecting telescope". Les deux instruments sont donc des "telescopes", et la différence est faite en décrivant leur mode d'action : la lunette "réfracte" les rayons lumineux (dans des lentilles), alors que les rayons arrivant dans un télescope sont "réfléchi" sur les miroirs qu'il contient.
Pour une brève description du fonctionnement d'une lunette et d'un télescope, voir ici.
La lunette a été développée avant le télescope, mais pendant un moment, les deux instruments ont eu une évolution en parallèle. Au risque de ne pas être tout à fait chronologique dans ma description, je me concentre dans un premier temps sur l'histoire de la lunette, explorant ensuite l'histoire du télescope !
L'invention de la lunette
L'invention de la lunette n'est pas tout à fait claire. On ne sait pas vraiment à qui l'attribuer, même si généralement, c'est l'opticien Johann Lippershey qui est mentionné. Il aurait construit la première lunette en 1608 aux Pays-Bas.
Mais le plus célèbre des inventeurs reste Galilée, qui a construit une lunette en 1609. Là encore, les historiens ne sont pas certains qu'il l'ait construite indépendamment des travaux de Lippershey, ou bien s'il a eu vent de l'idée et a décidé de construire son propre modèle. Si l'on retient Galilée, c'est sûrement parce qu'il a été le premier à divulguer les détails de l'invention au public !
Il va sans dire que cette invention a eu une importance capitale en astronomie. Jusqu'ici, le principal outil de l'astronome, c'était son oeil. Il ne voyait que les étoiles et cinq planètes : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne. La lunette va révolutionner l'observation !
La lunette de Galilée était conçue avec une lentille convergente à l'objectif, et une autre, divergente, à l'oculaire. Il a passé beaucoup de temps à améliorer son premier prototype. Alors que sa première lunette avait un grossissement X3, sa troisième lunette, d'un diamètre de 30 mm, grossissait l'image environ 30 fois.
Principe de la lunette de Galilée. Crédit : Serge Bertorello
Cela a permis à Galilée d'observer les cratères lunaires, les taches solaires, les phases de Vénus, et de découvrir les quatre satellites les plus importants en orbite autour de Jupiter (Io, Europe, Ganymède, Callisto), qui sont désigné aujourd'hui comme étant les "satellites galiléens" de Jupiter.
Il observe même les anneaux de Saturne, mais sans le comprendre : les "oreilles" de Saturne, comme il les appelle, change de forme... Ne sachant comment expliquer les différents phénomènes qu'il observe, il se détourne de cette planète. Il faudra attendre que Huygens tourne à son tour sa lunette vers Saturne pour que les anneaux de Saturne soient révélés !
Saturne comme elle a du être vue par Galilée dans sa lunette
Le dessin qu'il en a fait (il a quand même une bonne vue !)
Imaginez-vous le bond dans les connaissances à cette époque !
- Des lunes orbitent autour de Jupiter : c'est comme un mini-système solaire, qu'on ne soupçonnait pas auparavant.
- Des cratères, des mers, des montagnes... La surface de la Lune est variée, et toutes ces marques sont autant - d'indices sur l'origine de cet astre !
- La Voie Lactée est constituées de millions d'étoiles...
- Il existe encore plus d'étoiles que ce que l'on voit à l'oeil nu !
Voici un dessin de Galilée, qui fit une série d'observation des taches solaires durant l'été 1612. On remarque qu'il avait déjà distingué l'ombre et la pénombre des taches solaires !
Dessin représentant les taches solaires, Galilée. Crédit : Galileo Project.
En réalisant des séries de dessins des taches solaires chaque jour à la même heure, Galilée à mis en évidence leur rotation à la surface du Soleil, ou plus précisément la rotation de la surface du Soleil elle-même.
Des lunettes de plus en plus longues !
Révolutionnaire, cet instrument doit encore être amélioré. En effet, les images sont assez floues... A cause, principalement, de l'aberration chromatique. Les opticiens cherchent alors de nouvelles formules, construisent différents types de lunette, en essayant d'améliorer le rendu !
Principe de l'aberration chromatique : lorsqu'un rayon lumineux traverse un prisme, il est dévié... Mais chaque longueur d'onde est deviée plus ou moins. Du coup, on observe une décomposition de la lumière !
Décomposition de la lumière par un prisme. Crédit : Serge Bertorello.
Il se passe le même phénomène lorsqu'un rayon lumineux traverse une lentille dans une lunette :
Aberration chromatique due à la traversée d'une lentille (image issue de Wikipedia).
Les différentes "couleurs" de l'image ne sont donc pas toutes focalisées au même point, ce qui rend l'image floue...
En plus de l'aberration chromatique, un autre problème rend généralement l'image floue dans une lunette : l'aberration sphérique. Elle peut être corrigée en utilisant des lentilles asphériques (généralement de forme paraboloïde). En effet cette aberration est due au fait qu'en général, les rayons traversant la lentille près de son centre ne convergent pas exactement au même foyer que les rayons qui traversent les bords de la lentille. Ce problème est bien moindre avec une surface parabolique...
Au fil du temps, c'est le modèle mis au point par Kepler en 1611 qui est le plus développé par la suite : dans cette lunettes, ce sont deux lentilles convergentes qui sont utilisée.
Principe de la lunette de Kepler. Crédit : Serge Bertorello
L'aberration chromatique diminue lorsque la courbure des lentilles diminue. Cela revient à alonger la focale de l'instrument : des lunettes de plus en plus longues sont alors construites ! De meilleures images sont ainsi obtenues.
A partir du XVIIIe siècle, des gigantesques lunettes sont construites : manoeuvrées par plusieurs assistants pour un astronome, elles sont rendues les plus légères possibles avec une structure en bois et corde, un tube en bambou... Des instruments vraiment peu maniables en pratique.
En 1655, l'astronome néerlandais Christian Huygens découvre les anneaux de Saturne, ainsi que Titan, le plus gros de ses satellites, avec une lunette d'un grossissement X50 qu'il a construit (ou du moins imaginé) lui-même. Cette lunette, de 37 mètres de long, lui permet également de découvrir certains détails de la surface de Mars.
Ce que devait observer Huygens lorsqu'il pointait Saturne avec sa lunette (grossissement 50), en 1655.
Le dessin qu'il en a fait
Le schéma de Saturne qu'il a réalisé d'après ses déductions
Ce qu'observait Huygens dans sa lunette en 1659
La théorie de Huygens concernant Saturne et son anneau.
La lunette construite par Huygens est l'une des premières lunettes dites "aérienne" à grande focale : en effet, cette lunette n'a pas de tube... L'objectif est fixé en haut d'une tour, et est reliée à l'observateur par une sorte de tige, au bout du quel un petit tube contient l'oculaire.
La lunette de Huygens
Une des plus célèbres lunettes est celle d'Hevelius, construite vers 1641 : elle mesure 45 mètres de long ! Mais les images restent de mauvaise qualité, et l'instrument est si peu maniable qu'il ne servira guère...
La lunette d'Hevelius (Wikpedia)
Alors que les opticiens de son époque s'escriment à chercher des solutions au problème de l'aberration chromatique dans les lunettes astronomique, Newton n'y croit guère : il ne pense pas qu'on puissent se débarrasser de ce défaut. Il va alors mettre au point un nouvel instrument d'optique, le télescope, en utilisant des miroirs (et non plus des lentilles), ce qui l'affranchi de l'aberration chromatique !
Nous reviendrons sur cette invention un peu plus tard. En effet, l'histoire de la lunette n'est pas terminée !
La solution au problème de l'aberration chromatique dans les lunettes
Le manque de foi de Newton a permis l'invention d'un instrument génial : le télescope. Cependant, il était tout de même possible de réduire l'aberration chromatique !
Le principe de la lunette achromatique a été développé indépendamment par deux anglais, l'opticien John Dollon vers 1758, et le juriste Chester Moore Hall en 1733.
Pour cela, à l'objectif, au lieu de placer une seule lentille convergente, on place deux lentilles "collées" l'une contre l'autre, ayant des indices de réfraction différents de sorte que l'aberration soit corrigée. L'aberration chromatique ne disparait pas complètement, mais elle est fortement réduite.
Ce principe est conçu pour faire coïncider deux longueurs d'onde au même point image, ce qui explique que le résultat ne soit pas parfait !
Principe du doublet de lentilles achromatique. Crédit : Vik Dhillon
Des lunettes sont alors construites sur ce modèle, et à la fin du XVIIIe siècle, elles servent à établir des catalogues d'étoiles de plus en plus importants. C'est alors que les astronomes se rendent compte que les étoiles ne sont pas fixes, mais ont un mouvement propre.
En 1806, l'opticien Fraunhofer réalise des lentilles d'une grande qualité. Il construit une lunette de 160 mm de diamètre qui permet à l'astronome Bessel de mesurer la distance de l'étoile 61 Cygni par la méthode de la parallaxe : 10 années lumière !
La plus grande lunette jamais construite reste celle construite pour l'exposition universelle de 1900 à Paris. L'objectif avait un diamètre de 1.25 m, et sa longueur focale était de 57 mètres ! L'instrument, énorme, était si peu maniable qu'il a été construit afin de rester en position horizontale. La lumière des étoiles ou autres objets célestes était redirigée vers l'objectif de la lunette par un sidérostat de Foucault (un miroir plan de 2m de diamètre, mobile, qui renvoit la lumière des astres dans l'axe de l'objectif de la lunette).
La lunette de l'exposition universelle de 1900, en place (Wikipedia)
La lunette a été démontée à la fin de l'exposition, mais le miroir du sidérostat se trouve à l'Observatoire de Paris, ainsi que deux des lentilles utilisées dans la lunette.
Il existe encore une amélioration au système des lunettes achromatiques : les lunettes apochromatiques. Cette fois, ce sont trois lentilles qui sont mises côte à côte, afin de faire coïncider trois longueurs d'onde au même point image.
Principe de l'objectif apochromatique (Wikipedia)
Ce dispositif permet d'obtenir des images de qualité supérieure à celle des lunettes achromatiques (l'aberration est quasiment éliminée), mais le coup de ce système est bien plus élevé... Les astronome amateurs utilisent donc souvent des lunettes achromatiques de nos jours.
Le système apochromatique a été introduit en 1765 par Peter Dollon, le fils de John Dollon.
De grandes lunettes sont construites dans les observatoires européens et américains... L'une des plus grandes étant celle de l'observatoire de Yerkes (USA), construite en 1897 : son diamètre est de 1.02 mètres pour une longueur focale de 19.4 mètres. Il s'agit encore aujourd'hui de la plus grande lunette en fonctionnement, celle de l'exposition universelle de 1900 ayant été démontée.
Lunette de l'observatoire de Yerkes.
La construction des grandes lunettes astronomique, avec la lunette de Yerkes, et celle de l'exposition universelle de 1900, avait atteind sa limite. En effet, il était impossible de construire des lunettes plus grandes, à cause de l'effet de la gravité sur les lentilles. En effet, les lentilles étant maintenue en place par leurs seul bords, pour les lentilles trop imposantes, leur centre s'affaise, ce qui créé une distorsion de l'image...
D'autres problèmes étaient liés à la fabrication de grandes lunettes, comme la capacité de fabriquer des lentilles sans défauts internes (comme des bulles d'air...) par exemple.
Les télescopes, plus compacts (à diamètre équivalent, un télescope est généralement plus puissant qu'une lunette), présentent également l'avantage de ne demander qu'une surface parfaite (l'intérieur d'un miroir n'a pas à être parfait, puisque la lumière ne le traverse pas).
Aujourd'hui, alors que les observations se concentrent sur les objets lointains et peu lumineux, les grandes lunettes des observatoires ne sont plus beaucoup utilisées. Elles restent cependant un très bon outil pour l'astronome amateur qui désire explorer le système solaire et les nébuleuses les plus lumineuses !
L'invention du télescope
Comme mentionné précédemment, c'est le scientifique Newton qui, le premier, a développé un télescope, instrument optique utilisant des miroirs. Le succès du télescope s'est fait attendre : en effet, même si cet instrument n'a pas d'aberration chromatique, les miroirs n'ayant qu'un pouvoir de réflexion assez faible (donc peu de lumière), et se ternissant rapidement.
L'idée d'utiliser des miroirs courbes afin de fabriquer un télescope n'était pas nouvelle : les propriétés des miroirs courbes étaient sans doute étudiées depuis Euclide... Et l'idée de les utiliser pour fabriquer un instrument astronomique aurait été étudiée par Marin Mersenne en 1636, mais on retient surtout la description du principe d'un télescope faite par James Gregory en 1663. Dans le livre qu'il publie, Optica Promota, il pointe le fait que l'utilisation de miroirs dont la forme est une conique (parabole, hyperbole ou ellipse) permet de s'affranchir de l'aberration chromatique et de l'aberration sphérique, qui sont assez fortes dans les lunettes. Mais Gregory n'a aucune compétence lui permettant de construire un télescope, et son travail reste théorique.
C'est donc Isaac Newton qui construit le premier télescope en 1666. Après avoir conduit des expériences en optique, il était persuadé qu'il n'y avait aucun moyen de s'affranchir de l'aberration chromatique dans les lunettes astronomique, et préféra développer un télescope, ayant étudié les propriétés réfléchissantes des miroirs. Pour l'objectif de son télescope, il choisit un alliage d'étain et de cuivre. Il lui donna une forme sphérique, plus facile à réalisée qu'une parabole ; il était en effet persuadé que les défauts des images produites par les lunettes astronomiques étaient dus bien plus à l'aberration chromatique qu'à l'aberration sphérique.
Il ajouta un petit miroir plan afin de faire converger les rayons issus du miroir primaire dans un oculaire hors du tube.
Schéma illustrant le principe du télescope de Newton
Le premier télescope compact de Newton possédait un miroir de 33 mm de diamètre, et était ouvert à 5 (ce qui donne une focale de 150 mm environ. Avec ce premier télescope, Newton pu observer les satellites galiléens de Jupiter, et les phases de Vénus. Ainsi encouragé, il construisit un deuxième télescope, grossissant 38 fois, qu'il présenta à la Royal Society of London en 1672.
Réplique du télescope présenté par Newton à la Royal Society de Londres en 1972 (Wikipedia).
De nombreux types de télescopes ont été développés aux fils des ans, variantes ou innovations des précédants télescopes. Il serait long et fastidieux d'énumérer toutes les types de télescopes imaginés. Cependant, nous pouvons nous permettre de citer les plus connus et les plus utilisés...
La même année (1672), un télescope d'un autre type est développé par le français Laurent Cassegrain : dans ce télescope, le miroir secondaire est hyperbolique et renvoie l'image derrière le télescope (le miroir primaire est troué en son centre).
Schéma illustrant le principe du télescope de Cassegrain
Le miroir parabolique
Les télescopes n'ont pas connu un vif succès dès leur apparition en 1672. En fait, il n'y a aucune évolution notable des télescopes avant 1721, lorsque le mathématicien anglais John Hadley décide de construire un télescope de Newton, avec un miroir primaire parabolique. Son télescope présente alors très peu d'aberration sphérique.
Hadley a construit son miroir de manière expérimentale, le déformant petit à petit en cherchant a obtenir la meilleure image possible. Ce fut un travail fastidieux, mais payant. Son miroir mesurait 15 cm de diamètre, pour 159 cm de focale.
Le télescope de Hadley (Courtesy Royal Astronomical Society)
Il présenta son télescope à la Royal Society, et les astronomes purent comparer l'image obtenue avec celle obtenue par la lunette de 37 mètres de focale de Huygens.
Le résultat était similaire ! Le gain en encombrement et maniabilité était évident... Hadley développa par la suite plusieurs télescope et enseigna son savoir... La fabrication de télescope devint un business.
Le premier télescope de type Gregory a être construit a été réalisé par James Short. Cet Ecossait a passé une bonne partie de sa vie à construire des télescopes et à les commercialiser, à Edinbourg puis à Londres... Il n'a construit que des télescopes de type Gregory, et réussit à donner aux miroirs métalliques de vraies formes paraboliques et elliptiques. A sa mort, il avait amassé une fortune grâce à son commerce de télescopes !
Un télescope de James Short (Wikipedia)
En 1774, l'astronome (encore amateur) Herschel commença la réalisation de miroirs de télescopes à ses heures perdues... Mais il y pris goût et s'y consacra entièrement par la suite. Il réalisa plusieurs télescopes, et fit d'importantes découvertes lors des observations menée avec ses télescopes. Pour n'en citer qu'une, il découvrit la planète Uranus de cette façon !
Le télescope de Herschel, avec lequel il a découvert Uranus
(photo personnelle prise au musée d'histoire des sciences d'Oxford)
Les premiers grands télescopes
On attribue la construction du premier grand télescope à Herschel, qui fabrica un télescope de 12 mètres de focale pour un miroir de 124 cm de diamètre, en 1789. Les miroirs de l'époque ayant une faible réflectivité, Herschel élimina le miroir secondaire dans le tube, pour éliminer la perte de lumière qu'il engendrait. Afin de voir directement l'image, il inclina le miroir primaire... Ce nouveau type de télescope fut naturellement baptisé "Télescope d'Herschel".
Schéma illustrant le principe du télescope de Herschel (Wikipedia)
Le télescope de 12 m de focale d'Herschel (Wikipedia)
Le télescope d'Herschel ne fonctionnait pas vraiment, de nombreux problèmes ont été soulevés, et Herschel n'a pas pu tous les résoudre. La construction de grands télescopes n'était pas encore au point !
Ce premier grand télescope fut suivit par un deuxième, surnommé le "Léviathan de Parsonstown". Ce télescope, construit en 1845 par Lord Rosse, est resté le plus grand télescope au monde jusqu'en 1917. Sa focale était de 16 mètres, pour un miroir de 183 cm de diamètre.
Avec ce télescope, Rosse observa les nombreux objets classifiés comme "nébuleuses" dans les catalogues de Charles Messier, et d'Herschel. Il pu observer la forme spirale de certaines galaxies !
Le Léviathan de Parsonstown (Wikipedia)
Ces deux premiers grands télescopes possédaient des miroirs qui se ternissaient très vite. Ils devaient souvent être repolis, et cela engendrait généralement une déformation de leur surface, qu'il fallait alors corriger.
Ces difficultés liées au ternissement des miroirs, ainsi que le développement des lunettes achromatiques à cette époque, expliquent un certain manque d'intérêt pour les télescopes de la part des astronomes. Mais lorsque les lunettes astronomiques ont atteind leur limite avec la construction de la lunette de l'exposition universelle de 1900 et celle de Yerkes en 1897 (problème de la gravité sur les grandes lentilles), les astronomes se sont tournés vers les télescopes pour améliorer encore leurs observations.
Du miroir métallique au miroir en verre
Au cours des années 1856 et 1857, Léon Foucault et Karl August von Steinheil introduisent un procédé qui permet de déposer une fine couche d'argent sur un miroir en verre. Non seulement l'argent permet d'avoir une réflectivité bien meilleure que les métaux utilisés pour les miroirs de télescope jusqu'à présent, mais cette couche d'argent peut être renouvellée sans altérer la forme du miroir en verre.
C'est une révolution dans le monde du télescope !
De grands miroirs en verre sont alors construits : en 1895, un miroir de 91 cm pour le Crossley Telescope ; en 1908, un miroir de 150 cm de diamètre pour le télescope de l'observatoire du Mont Wilson, et en 1917, un miroir de 2.5 mètres pour le télescope Hooker du Mont Wilson (qui devient alors le plus grand télescope au monde).
Télescope Hooker du Mont Wilson (website du Mont Wilson)
En 1932, un jeune physicien, John Donavan Strong, est le premier à "aluminer" un miroir. Il a développé une technique permettant de couvrir le miroir d'une fine couche d'aluminium en utilisant la vaporisation sous vide. L'aluminium a une reflectivité encore plus grande que l'argent, et terni beaucoup moins vite. Aujourd'hui, la plupart des grands télescopes sont aluminés.
En 1948 est achevé, au Mont Palomar, un télescope dont le miroir mesure 508 cm de diamètre : le télescope de Hall.
Télescope de Hall, au Mont Palomar (Wikipedia)
Ce télescope restera le plus grand télescope au monde jusqu'à la réalisation du télescope BTA-6, en 1976, par l'Union Soviétique. BTA-6 possède un miroir de 605 cm de diamètre, une seule pièce de verre !
Le miroir primaire du télescope BTA-6 (Wikipédia)
Les télescopes de la taille du télescope de Hale ou de BTA-6 sont les plus grands que l'on puisse réaliser avec des miroirs en verre. Des miroirs plus grands ne seraient pas assez rigides pour ne pas se déformer sous leur propre poids...
Le miroir à cristaux liquides et l'optique adaptative
Dans les années 1990, une nouvelle génération de grands télescopes a vu le jour, avec une nouvelle technologie capable de corriger les perturbations atmosphérique. En effet, certaines distorsions de l'image sont dues aux mouvements de courants d'air dans l'atmosphère terrestre.
Ce que l'on appelle l'optique adaptative est un dispositif permettant de corriger cette distorsion. Le "front d'onde", autrement dit l'image, est analysée de manière à calculer la distorsion. Cette information est transmise au miroir déformable qui prend une forme pouvant compenser cette distorsion !
Optique adaptative
Une autre manière de procéder est d'analyser l'image d'une étoile-guide proche, ou la lumière d'un LASER, afin de calculer la distorsion.
Tout ce travail d'analyse et de déformation du miroir doit être fait très rapidement (les courants d'air dans l'atmosphère étant en continuel mouvement !)
A suivre...
Sources : (non complet à ce jour)
Les deux premiers schémas sont issu du site de Serge Bertorello, page Notions d'optique pour les astronomes amateurs : les caractéristiques optiques des instruments ainsi que les problèmes d'aberration chromatique, diffraction, etc, y sont décrit avec plus de détail, et accompagnés de schéma clairs !
Une petite histoire de la lunette astronomique, par Pierre Henrotay
L'image du doublet de lentilles achromatique est issu de la page refractors, du site de Vik Dhillon.
The Galileo Project, site consacré à la biographie, aux inventions et aux découvertes de Galilée.
Great Paris Exhibition Telescope of 1900, article wikipédia sur la lunette de l'exposition universelle à Paris en 1900.
Achromatic Telescope, Wikipedia
Apochromat, Wikipedia
la photo de la lunette de l'observatoire de Yerkes provient du site web de l'observatoire.
Les images relatives à la découverte des anneaux de Saturne sont issues de la page : Un demi-siècle pour découvrir les anneaux de Saturne.
Refracting telescope, article de Wikipedia
Leviathan of Parsonstown, article wikipedia
Mount Wilson Observatory : site web de l'observatoire du Mont Wilson