LES INSTRUMENTS ASTRONOMIQUES

Notions de base

Nous ne voyons les étoiles, les planètes et les objets célestes que parce qu'ils émettent ou réfléchissent un rayonnement - la lumière visible - auquel nos yeux sont sensibles. Contrairement aux botanistes, qui bénéficient généralement de tous leurs sens pour tenter de comprendre ce qui distingue une plante d'une autre, il nous est totalement impossible de sentir, de toucher ou d'entendre directement une planète, une nébuleuse ou une galaxie. Nous devons nous contenter de nos yeux et de la lumière qui arrose nos rétines pour apprécier la beauté du ciel. Mais le diamètre de nos pupilles dans l'obscurité, qui conditionne la quantité de lumière collectée par chaque rétine, ne dépasse pas 7 à 8 mm chez l'enfant et à peine 5 ou 6 mm chez l'adulte. La fonction d'une lunette ou d'un télescope peut alors être rapprochée de celle de l'entonnoir d'un pluviomètre qui récolte de la pluie sur une grande surface et la fait couler vers un petit récipient. L'objectif d'une lunette et le miroir principal d'un télescope sont des " entonnoirs optiques " qui font converger les rayons lumineux vers un " foyer " que l'œil peut observer avec des loupes - des oculaires - plus ou moins fortes. Plus le diamètre du collecteur est important, plus l'œil reçoit d'information lumineuse, et plus les images obtenues sont riches de détails.

Les premiers " entonnoirs optiques " - les lunettes - ont été utilisés pour l'observation des astres au début du XVIIe siècle par l'Italien Galilée. Quant au premier télescope, c'est l'Anglais Isaac Newton qui l'a réalisé en 1672. De nombreux chercheurs ont ensuite proposé des formules optiques plus ou moins différentes, mais leurs travaux n'ont rien changé au fait qu'il n'existe que deux grandes familles d'instruments astronomiques (plus quelques hybrides) : les réfracteurs (lunettes) et les réflecteurs (télescopes). Dans les premiers, les rayons lumineux sont rabattus, réfractés, vers le foyer en traversant un assemblage de lentilles en verre appelé objectif. Dans les réflecteurs, la lumière est réfléchie vers le foyer par la surface concave d'un miroir principal, puis par la surface plane ou convexe d'un plus petit miroir, le secondaire.

LES RÉFRACTEURS

Les lunettes simples sont dotées d'un objectif composé de 2 lentilles de forme et de composition différentes. Selon la qualité de leur réalisation, ces instruments donnent des images plus ou moins correctement débarrassées du halo multicolore de l'aberration chromatique et corrigées des aberrations géométriques. On trouve des lunettes simples de 50 à plus de 100 mm de diamètre. Dans les petits diamètres, ce sont les instruments les moins onéreux pour les débutants et ils permettent des observations raisonnablement bonnes. En dessous de 80 mm de diamètre, les lunettes simples sont souvent livrées avec une monture azimutale sommaire ou, pire, avec un petit trépied de table dont les vibrations continuelles dégradent considérablement les images.

Avantages : les petits lunettes simples (50 ou 60 mm) ne coûtent vraiment pas très cher ; elles sont facilement transportables ; leur tube fermé permet d'éviter dans une large mesure les turbulences liées aux échanges thermiques entre l'air extérieur et l'air du tube ; l'optique, réglée à vie en usine, ne nécessite aucune maintenance (à moins qu'elle ne subisse un accident) ; naturellement, il n'y a pas d'obstruction centrale.

Inconvénients : les lunettes simples de tout diamètre ne sont que partiellement corrigées des aberrations (chromatique et de sphéricité) ; il faut un trépied haut, et donc encombrant, pour observer dans une position satisfaisante, ce qui n'est d'ailleurs jamais le cas vers le zénith, sauf si l'on dispose d'un pied-colonne.

Les lunettes semi-apochromatiques et apochromatiques possèdent un objectif à 2 ou 3 lentilles. Le progrès majeur par rapport aux objectifs des lunettes simples vient de l'utilisation d'une lentille en fluorine (cristal de bifluorure de calcium), ou de son équivalent (verre ED), qui permet une correction presque parfaite de l'aberration chromatique. Les images sont d'une très grande finesse, et les résultats exceptionnels pour l'observation planétaire et pour la résolution des structures les plus fines sur la Lune. Autre progrès : ces objectifs ont été calculés de telle sorte que leur focale soit la plus courte possible. Il n'était pas rare, auparavant, de trouver des lunettes dont le rapport Focale/Diamètre était de l'ordre de 15. Les lunettes apochromatiques ont un rapport f/D compris entre 5 et 10, ce qui les rend beaucoup plus légères et diminue d'autant la taille et la masse de la monture pour le plus grand confort de l'utilisateur. Les amateurs les appellent familièrement les " apos " et louent avec enthousiasme leurs qualités, tout en regrettant avec la même force leur prix élevé ; les " apos " coûtent en effet beaucoup plus cher que les lunettes simples de même diamètre.

Avantages : une remarquable finesse des images qui sont parfaitement corrigées des aberrations habituellement liées aux réfracteurs ; les images sont piquées, contrastées et bien supérieures à celle d'un télescope de même diamètre, voire parfois d'un diamètre supérieur ; la courte longueur focale donne des instruments très maniables, légers et faciles à transporter.

Inconvénient : les apochromatiques sont vraiment très (trop ?) coûteuses.

LES RÉFLECTEURS

Dans les télescopes de Newton, les rayons lumineux sont réfléchis et focalisés par un miroir principal ou primaire dont la surface a une courbure sphérique ou parabolique, puis renvoyés sur le côté du tube par un petit miroir plan incliné à 45°. Comme la lumière ne traverse pas ces miroirs, mais est uniquement réfléchie par leur surface recouverte d'une mince couche d'aluminium, il n'y a pas d'aberration chromatique dans les Newton. Seules persistent des aberrations géométriques hors de l'axe, d'autant plus fortes que la courbure du miroir principal est accentuée, et donc que sa focale est courte. La présence du miroir secondaire et de son support - l'araignée - dans le trajet des rayons lumineux dégrade quelque peu les images, mais l'obstruction des Newton est généralement bien inférieure à celle des Schmidt-Cassegrain ou des Maksutov-Cassegrain. Historiquement, le télescope de Newton a toujours été l'instrument le plus construit par les astronomes amateurs, car il est relativement aisé d'atteindre une précision optique exceptionnelle dans la taille artisanale du miroir principal. Sur un plan commercial, les télescopes de Newton équipés d'un miroir principal d'environ 115 mm de diamètre pour près de 900 mm de focale sont sans doute les instruments les plus vendus dans le monde. Dans cette gamme d'instruments, les différences de prix s'expliquent essentiellement par la qualité de la monture équatoriale avec laquelle ils sont livrés.

Avantages : le prix d'un télescope de Newton n'est généralement pas élevé, il est même bas comparativement au diamètre du miroir pour les Dobson ; il n'y a aucune aberration chromatique ; ce sont des télescopes polyvalents qui donnent d'excellents résultats tant en vision directe qu'en imagerie (photo et CCD) ; il est facile de fabriquer soi-même un Newton lorsqu'on est un peu bricoleur ; l'alignement optique est très facile à faire (sauf pour les focales courtes).

Inconvénients : l'alignement optique doit être vérifié fréquemment et obligatoirement après chaque déplacement ; le tube est ouvert et il se transforme souvent en collecteur à poussières ; il y a un risque de turbulence importante à l'intérieur du tube ; il faut un escabeau ou une échelle pour accéder à l'oculaire des grands Newton ; si le tube ne peut pas tourner sur lui-même, la position de l'oculaire est parfois fort peu pratique ; un Newton est toujours plus encombrant et plus lourd qu'un Schmidt-Cassegrain de même diamètre ; pour les focales courtes (f/D inférieur à 5), le champ de netteté est réduit et le bord est souvent empâté par la coma.

Les télescopes de Cassegrain ont un miroir principal de courbure parabolique et un miroir secondaire hyperbolique convexe. Ce secondaire renvoie le faisceau lumineux convergent issu du miroir principal vers un trou percé au centre de celui-ci. Cette formule optique permet de très grand rapports f/D parfaitement adaptés à l'observation et à l'imagerie à haute résolution de la Lune et des planètes, mais elle est assez peu commercialisée. Il existe cependant de très remarquables télescopes mixtes, offrant un foyer Newton et un foyer Cassegrain, et une variante du télescope de Cassegrain, le télescope Dall-Kirkham (miroir ellipsoïdal et secondaire sphérique), dont d'excellents modèles sont fabriqués par la marque Takahashi.

Avantages : la position de l'oculaire dans le prolongement du tube, comme dans une lunette, est un plaisir par rapport à un Newton ; le tube n'est pas trop long, ce qui rend l'instrument aisément transportable ; la longue focale est parfaite pour l'observation à fort grossissement des planètes et de la Lune.

Inconvénients : relativement coûteux ; obstruction assez forte du secondaire ; le champ est petit.

LES RÉFRACTO-RÉFLECTEURS OU CATADIOPTRIQUES

Les télescopes de Schmidt-Cassegrain sont des hybrides, des réfracto-réflecteurs, puisque le faisceau de lumière traverse une lame de verre située à l'entrée du tube avant d'être réfléchi et focalisé par le miroir principal de courbure sphérique vers un petit miroir secondaire de courbure elliptique accroché au centre de la lame de verre. Ce miroir secondaire renvoie alors le faisceau vers un trou percé au centre du miroir principal. Cet aller et retour de la lumière à l'intérieur du tube divise d'autant la longueur totale de ce dernier et fait du Schmidt-Cassegrain un télescope maniable et très facilement transportable jusqu'à 200 mm de diamètre, même pour un adolescent (assez musclé quand même). La lame a une forme particulière qui corrige de manière anticipée les aberrations qui seront induites par le miroir principal sphérique. Le défaut majeur des Schmidt-Cassegrain est une obstruction centrale importante ; dans ces instruments disponibles sur le marché, il n'est pas rare en effet de voir l'obstruction dépasser allègrement les 30 ou 35 % ! Cela se traduit par une perte non négligeable du contraste, et donc une plus grande difficulté à saisir les petits détails sur les planètes et la Lune par exemple. Ainsi, pour ces objets célestes, il est fréquent d'avoir de meilleures images avec une bonne lunette apochromatique d'un diamètre largement inférieur.

Avantages : instrument et monture sont extrêmement compacts et donc faciles à transporter jusqu'à 20 cm de diamètre ; la production en grand nombre assure un prix relativement bas pour les 20 cm d'entrée de gamme ; parfaitement polyvalent (visuel, imagerie), d'autant que l'on peut aisément lui adapter un réducteur de focale ; bonne position de l'oculaire ; le tube fermé protège les optiques internes de la poussière ; l'oculaire est dans le
prolongement du tube ; il existe une multitude d'accessoires pour le faire évoluer.

Inconvénients : l'obstruction centrale est vraiment énorme sur certains modèles (jusqu'à 37 %) ; les prix s'envolent rapidement dès que l'on progresse dans les gammes des constructeurs ; la lame correctrice est très sensible à la buée ; l'alignement doit être vérifié de temps en temps (délicat pour un débutant) ; les Schmidt-Cassegrain sont très difficiles à construire pour un amateur ; le diamètre maximum est de 40 cm... et à quel prix ! ; les accessoires sont très (trop) coûteux ; la qualité des images est généralement très moyenne, mais on a parfois de bonnes surprises ; au-delà de 20 cm de diamètre, les différents éléments (principalement l'ensemble fourche + tube) sont très lourds pour une personne seule.

Les télescopes Maksutov-Cassegrain ressemblent aux Schmidt-Cassegrain, mais leur lame de fermeture est un ménisque accentué. Cette formule optique permet de réaliser des instruments très courts mais possédant néanmoins un rapport f/D important (13 à 15) et un champ assez grand, ces deux points étant plus que favorables pour l'observation à haute résolution des planètes ou de la surface lunaire. Les Maksutov-Cassegrain disponibles actuellement ont un petit diamètre (moins de 200 mm), ils sont donc peu encombrants et bien adaptés au voyage. Un Maksutov-Cassegrain de 90 mm complet dans une mallette de protection tient aisément dans le coffre à bagages à main d'un avion.

Avantages : images plus fines que dans un Schmidt-Cassegrain ; bonne position de l'oculaire ; petite taille et donc grande facilité de transport.

Inconvénients : il n'existe que très peu de modèles ; alignement optique très délicat, mais heureusement l'alignement d'usine ne doit pas se dérégler ; prix nettement plus élevé qu'un Newton de même diamètre.

LES DIFFÉRENTS TYPES DE MONTURES

Le meilleur tube optique du monde n'est rien sans une bonne monture. Du type et de la qualité de cette dernière dépendra ce que vous pourrez prétendre faire avec votre instrument. Ce n'est donc pas un investissement à prendre à la légère, d'autant que lorsqu'elle atteint un certain niveau de précision, la monture coûte aussi cher que le tube optique.

Il n'en existe que de deux types : les montures azimutales, parfois appelées altazimutales, et les montures équatoriales. Dans les instruments vendus dans le commerce, ces dernières se déclinent en montures équatoriales allemandes, à fourche ou en fer à cheval.

Monture azimutale

Une monture azimutale permet de déplacer le tube optique parallèlement et perpendiculairement au sol. En tout autre lieu que les pôles et l'équateur, il convient de composer ces deux mouvements pour suivre les astres qui, eux, se déplacent " en biais " par rapport à l'horizon. Pour suivre la Lune à fort grossissement, par exemple, vous devrez sans cesse agir sur les deux mouvements, ce qui, naturellement, fait vibrer l'instrument et ne facilite guère l'observation des détails. Pour un observateur débutant, enfant ou adulte, l'utilisation d'une monture azimutale est remarquablement aisée, car il suffit de poser l'instrument sur un sol à peu près plat et d'observer : on peut difficilement faire plus simple.

Les télescopes de Dobson, qui sont des Newton de (très) grand diamètre dédiés à l'observation visuelle, sont constitués d'un tube optique et d'une monture azimutale trapue. Tout est simplifié à l'extrême sur ce type d'instrument. Il n'y a par exemple aucun système de freinage sur les axes de la monture, car le tube est parfaitement équilibré et repose sur des patins de Téflon qui assurent une friction suffisante pour qu'il reste toujours dans la position où on le laisse. Naturellement, pour compenser la rotation de la Terre, il faut déplacer le tube à la main d'autant plus fréquemment que le grossissement employé est fort. C'est vraisemblablement l'instrument idéal pour un observateur novice qui apprend généralement à pointer et suivre un objet céleste en moins de 5 minutes. C'est également l'instrument idéal de ceux pour qui l'observation visuelle est un plaisir sans cesse renouvelé et qui ne désirent pas se lancer dans la photographie traditionnelle ou l'imagerie électronique. Dans le commerce, le prix d'un Dobson de 300 mm correspond à peu près à celui d'une lunette apochromatique de 80 mm. Et pour cette somme, il est possible de construire un Dobson de 400 mm.

Il existe de plus en plus d'instruments équipés de montures azimutales (ou équatoriales) entièrement motorisées et pilotées par ordinateur. Il suffit alors de pointer deux étoiles connues pour étalonner le programme de suivi, puis l'ordinateur s'occupe du reste. Ces instruments sont équipés d'une fonction " Go To " qui permet un pointage automatique de milliers d'astres inclus dans leur mémoire ou de millions si on les connecte à un ordinateur équipé d'un programme de cartographie stellaire (voir le Guide des ressources). Naturellement, ces montures calculent aussi les éphémérides des corps du système solaire, ce qui permet par exemple un pointage des planètes en plein jour ou dans le crépuscule lors des conjonctions invisibles à l'œil nu.

On peut aussi désormais installer sur n'importe quel type de monture des " encodeurs électroniques " reliés à une raquette de commande qui reprend toutes les fonctions des montures informatisées. Si l'instrument n'est pas motorisé, la fonction " Go To " est manuelle, le pointage correct étant indiqué par un signal lumineux ou sonore. Un Dobson équipé de tels encodeurs devient à moindres frais une véritable machine à observer !

Montures équatoriales

À l'équateur, les astres suivent des trajectoires apparentes perpendiculaires à l'horizon. Dans ce cas précis, une monture azimutale devient intéressante, car il suffit d'un seul mouvement pour compenser la rotation de la planète. Si l'on s'éloigne progressivement de l'équateur en inclinant peu à peu l'un des axes pour qu'il reste parallèle à la position qu'il avait à cet endroit, il sera possible de continuer à suivre un astre avec un seul mouvement. Autrement dit, lorsque l'on parle de monture équatoriale, on fait référence à une monture azimutale dont l'un des axes est incliné selon un angle égal à la latitude du lieu d'où l'on observe. Cela paraît simple, mais dans la pratique, c'est une des causes du désenchantement de certains acheteurs d'instruments astronomiques qui n'arrivent pas à les " mettre en station ", ou qui ignorent tout simplement qu'il convient de le faire (voir plus loin).

Monture équatoriale allemande

C'est la monture équatoriale la plus commune pour les lunettes et les petits télescopes. Vous la reconnaîtrez facilement, grâce à la présence du contrepoids placé sur une tige à l'opposé du tube optique. Il sert à équilibrer celui-ci en fonction des accessoires qu'il supporte (appareil photo, lunette-guide). Les versions livrées avec les instruments de bas de gamme sont en général de mauvaise qualité (axes trop petits, jeu important...). À partir de 5 à 6 000 FF, tous les instruments sont équipés de montures allemandes plutôt robustes, sur lesquelles on peut installer une motorisation de qualité. Le défaut majeur de ce type de monture apparaît lorsque l'on essaie de pointer la région du zénith : il faut parfois s'y reprendre à plusieurs reprises et se livrer à des contorsions suffisamment extravagantes pour que l'on comprenne vite l'intérêt d'un accessoire comme le renvoi coudé.

Monture équatoriale à fourche

Les télescopes de Newton et de Schmidt-Cassegrain sont la plupart du temps vendus avec des montures équatoriales à fourche, ce qui n'est pas le cas des lunettes, puisqu'il serait impossible de pointer la région polaire, sauf avec une fourche spécialement étudiée... La monture à fourche présente l'avantage d'être trapue ; elle convient donc parfaitement aux instruments transportables. Son principal défaut tient à la position en porte-à-faux de toute la masse du tube optique et de ses accessoires. Il faut donc que l'axe qui la supporte soit plutôt surdimensionné. L'autre défaut de cette fourche est qu'elle ne peut recevoir un tube d'un diamètre supérieur à celui auquel elle est destinée, ce qui est possible avec des colliers de dimension adéquate sur une monture allemande robuste.

Monture équatoriale en fer à cheval

Dérivées des montures des grands télescopes (type 5 m du Palomar ou CFH de 3,60 m à Hawaii), les montures équatoriales en fer à cheval ne sont vendues qu'avec certains télescopes de la marque américaine JMI (NGT 18). Surbaissées et parfaitement stables, ce sont des montures idéales pour les grands Newton, mais totalement inadaptées aux Cassegrain et autres Schmidt-Cassegrain, pour lesquels l'arrière du miroir principal doit être accessible.