Lunette ou télescope

Lunette ou télescope ?
Etude documentaire (Données encyclopédiques, copyright © 2001 Hachette Multimédia / Hachette Livre).
« Le premier des instruments d'astronomie fut l’œil…..
1.Les instruments astronomiques ne se sont réellement développés qu'à partir de la civilisation grecque. Avec
l'amélioration des instruments de mesure du temps, comme le cadran solaire, qui est un gnomon perfectionné, ou
la clepsydre (l'horloge à eau), apparaissent des instruments plus résolument tournés vers l'astronomie. À cette
époque, l'observation astronomique consistait uniquement à déterminer des directions; mis à part la Lune, où
des détails de surface sont perceptibles, et le Soleil – il semble que certains se soient brûlés les yeux en
observant ses taches.
2.L'instrument le plus simple, le quadrant, se compose d'une plaque de bois rectangulaire sur laquelle est tracé
un quart de cercle, gradué de 0° à 90°. Au centre du quart de cercle se trouve un téton perpendiculaire à la
plaque de bois. Lorsque le plan du quadrant est orienté dans la direction du Soleil, l'ombre du téton sur le quart
de cercle en indique la hauteur.
3.Un autre instrument, le triquetrum, se compose de trois règles mobiles qui peuvent constituer un triangle
rectangle isocèle. L'un des côtés de l'angle droit est vertical; le deuxième côté est articulé au sommet du premier
et est muni de pinnules (plaques avec encoches ou trous), qui servent à viser un astre quelconque. L'extrémité
libre de ce côté coulisse sur l'hypoténuse du triangle (également articulée autour du premier côté, mais à sa
base), qui est graduée, ce qui permet de lire la hauteur de l'astre choisi…..
Jusqu'au début du XVIIe siècle, les observations ont continué à se faire à l'œil nu. Et si les instruments utilisés se
sont diversifiés, il n'y a pas eu de changement fondamental; ils ont néanmoins bénéficié d'améliorations
techniques, dues à une meilleure connaissance du travail des métaux, ou théoriques, notamment une plus grande
précision de la lecture des angles, grâce au système de Nonius, puis aux transversales, enfin au vernier, que
nous utilisons encore de nos jours. Ainsi, les mesures de Tycho Brahe, le dernier et le plus grand des
observateurs à l'œil nu, dépassaient en précision la minute d'arc, ce qui permit à Kepler de montrer que l'orbite
de la planète Mars est une ellipse et non un cercle….
4.Apparue dans les années 1590, la lunette a d'abord présenté un intérêt dans le domaine militaire (elle
permettait de voir «de près» les forces ennemies), aussi les méthodes de fabrication et jusqu'au nom de son
inventeur furent tenus secrets. Néanmoins le secret semble avoir été mal gardé, et au début du XVII e siècle, on
trouvait quelques fabricants de lunettes, comme les Hollandais Janssen et Lippershey. Galilée n'est donc pas
l'inventeur de la lunette, mais il en construisit une et la pointa vers le ciel étoilé et vers la Lune: ses observations
bouleversèrent totalement la connaissance et l'appréhension de l'Univers…
5.Les instruments réalisés ultérieurement et décrits par Kepler se composaient essentiellement d'un objectif
constitué par une lentille convergente, et d'un oculaire également convergent, qui donnent une image inversée,
mais aussi un plus grand champ de vision.
L'objectif peu épais, allant de quelques dizaines de centimètres à plusieurs mètres de distance focale f' 1, donne
d'un objet à l'infini proche de son axe une image réelle petite et renversée en son foyer image. De manière
générale, l'objectif présente un double intérêt:
– il permet de condenser une quantité de lumière beaucoup plus importante que ne peut le faire la pupille
de notre œil (une simple lunette d'amateur de 60 mm de diamètre reçoit environ 100 fois plus de
lumière que notre pupille);
– il est capable de donner d'un objet très éloigné une image à distance finie; cette image est ensuite
grossie par l'oculaire, qui joue simplement un rôle de loupe…
Le grossissement est donné par le rapport: G = f '1 / f '2. Pour l'accroître, il y a donc intérêt à augmenter la
distance focale de l'objectif et à réduire celle de l'oculaire.
Le champ apparent sous lequel l'observateur voit l'objet est assez grand (environ 30°), mais le champ objet est
en fait très petit (environ 0,3° pour un grossissement de 100). Il est donc recommandé d'utiliser un «chercheur»,
petite lunette à grand champ utilisée pour viser la partie du ciel à observer…
En pointant la lunette vers une étoile, nous constatons la présence d'auréoles colorées autour de celle-ci; cela
tient au fait que l'objectif se comporte comme un ensemble de prismes: il décompose [1], et chaque longueur
d'onde converge en un foyer qui lui est propre. Cet inconvénient porte le nom d'aberration chromatique. Isaac
Newton devait en conclure qu'il fallait perfectionner ou abandonner les objectifs à lentille …
6.Le télescope, ou réflecteur, sert à l'examen des objets particulièrement éloignés. Il en existe diverses variantes,
mais l'objectif est toujours fait d'un vaste miroir concave (sphérique ou parabolique).
On doit à Isaac Newton d'avoir réalisé le premier télescope à réflexion, en 1672. Cet instrument était équipé
d'un miroir de 37 mm de diamètre, avait 16 cm de distance focale et grossissait 38 fois…. Le télescope eut un
grand succès jusqu'à l'invention de l'objectif achromatique par Dollond, qui permit au système réfracteur de
retrouver une nouvelle jeunesse. Les fruits en furent recueillis au XIX e siècle: la première parallaxe stellaire,
donnant accès aux dimensions de l'Univers, fut déterminée en 1838 grâce à un système réfracteur…
Dans un télescope, l'image de l'astre se forme normalement au foyer du miroir. Dans les plus grands appareils
(comme par exemple celui du mont Palomar, de 5 m d'ouverture), elle est directement observée par l'astronome.
Pour ceux de plus faible diamètre, l'image est dirigée par un miroir intermédiaire vers un oculaire, au travers
duquel on l'observe; ce miroir intermédiaire est plan dans le télescope de Newton (l'image est renvoyée sur le
côté de l'appareil)…
7.Aujourd’hui…Les avantages du télescope tiennent à l'absence de dispositifs réfringents de grande taille, qui
constituent des sources d'aberrations optiques: ils sont parfaitement achromatiques.
Le miroir secondaire absorbe une partie de la lumière, mais, à puissance égale, le télescope a une plus grande
ouverture (définie par le rapport entre sa distance focale et son diamètre: f / D) que la lunette. Il collecte
davantage de lumière que cette dernière. Les télescopes servent surtout à l'observation des étoiles et des
nébuleuses extra-galactiques, et ils permettent la réalisation de documents photographiques ou
spectrographiques riches d'informations… »
Questions
1.
faire un schéma qui permet de justifier le rôle de
collecteur de lumière joué par la lunette astronomique (cf §5)
2.
a. sur le schéma ci-contre, identifier le miroir principal
et le miroir secondaire du télescope de Newton (1642-1727),
hachurer leur surface puis indiquer le sens de propagation de la
lumière issu de l’astre observé.
b. A l’époque de Newton, en quelle matière étaient les
miroirs utilisés dans ce télescope ? quel était l’inconvénient de ce
type de miroirs (qui de ce fait, ne convenaient pas aux
professionnels de l’époque)
3.
préciser graphiquement la position du foyer du miroir principal (cf §6)
4.
a. dans le § 5, quel est le mot repéré par [1] ?
b. le document indique la cause qui a incité Newton à conclure qu’il fallait
abandonner les objectifs à lentille ; quelle est cette cause, quelle en est l’origine ?
c. qu’est-ce qu’un système réfracteur ? quel est le principe de l’objectif
achromatique qui lui a permis de retrouver une nouvelle jeunesse ?
d. pourquoi le système réflecteur proposé par Newton ne présente-t-il pas
d’aberrations chromatiques ?
5.
le télescope de Newton présenté ci-contre comporte un chercheur 6X30 grand
champ (8°) ; ce chercheur est également utile sur une lunette (cf § 5 du document)
a. quel est le rôle du chercheur ?
b. que signifie la notation : 6X30 grand champ (8°) ?
rem : au cours des siècles récents, on a assisté à une lutte entre les adeptes des lunettes
et des télescopes, y compris dans le milieu professionnel ; mais c’est l'astronome
américain George Ellery Hale (1868-1938) qui fit construire ce qui allait demeurer pour toujours le plus grand
réfracteur au monde: la lunette de l'observatoire Yerkes, au lac Geneva, Wisconsin (États-Unis). Cette lunette,
qui entra en opération en 1897, possède une lentille d'un diamètre de 101 cm, d'une longueur focale de 19 m, et
d'un poids de 230 kg. La lunette pèse 18 tonnes; elle est parfaitement balancée et peut être aisément dirigée vers
n'importe quelle région du ciel.
Ainsi s'acheva l'Histoire des réfracteurs, qui venaient d'atteindre leur limite... En effet, au-delà d'un diamètre de 1
m, une lentille se déforme sous son propre poids au point d'affecter de façon importante la qualité de l'image.