De l'œil nu aux télescopes spatiaux, une histoire des instruments d'observation astronomique

Dans la foulée de la présentation proposée lors de la Fête de la Science, Nicolas Richoffer, membre de la SHNC, a remonté le temps pour voir comment l'observation a évolué au fil du temps, au rythme des découvertes et des techniques de fabrication.

L’astronomie est désormais une science de pointe dont les progrès réalisés ne seraient pas possibles sans les instruments d’observation pensés et conçus dans l’astronomie ancienne. Voyage dans le temps à la découverte d'une innovation constante.

Dès la préhistoire en effet, on observe le ciel scrupuleusement, comme en témoignent les six étoiles des Pléiades au-dessus d’un aurochs, représentés dans la grotte de Lascaux (entre 17500 et 13000 av. J.-C.). L’œil humain est un instrument performant. Léonard de Vinci l'a encore prouvé quelque 30 siècles plus tard avec ses "Études de la réflexion de la lumière du Soleil sur la Lune".

Mais c'est le verre, une lente découverte, qui va tout changer. De l’antiquité au moyen-âge, on observe que les morceaux de verre et de cristaux enflamment des herbes, déforment des objets, modifient les couleurs, grossissent, etc. Les propriétés du verre se révèlent, et notamment la déviation de la lumière (réfraction).

Ainsi, c'est au XIIIe siècle que sont créées les premières loupes et « lunettes »

Puis en 1608 se produit une course pour le premier brevet, avec l'opticien néerlandais Hans Lipperhey, le premier à déposer une demande de brevet pour la superposition de deux lentilles qui permettent de 
« voir des choses lointaines comme si elles étaient tout près ».

La bagarre des inventeurs :

- Septembre 1608 : Hans Lipperhey

- Septembre 1608 : Zacharias Janssen

- 15 octobre 1608 : Jacob Metius

Finalement, personne n'aura le brevet et les longues-vues se multiplieront dans toute l'Europe en quelques mois, et entre mai 1609 et mars 1610, Galilée fabrique une soixantaine de lunettes avec un avantage certain : la qualité du verre de Murano. Il fait les premières observations astronomiques significatives et confirme que le modèle héliocentrique de Nicolas Copernic est correct. Le système géocentrique de Ptolémée n’est plus.

Image : Galilée fait la démonstration de son télescope (par Henry Detouche)

Voir toujours plus loin :

• 1640 : La lunette de 46m de Johannes Hevelius.

• 1683 : « L’Astroscope » de Christian Huygens.

Une nouvelle idée fait son chemin :
les miroirs peuvent remplacer les lentilles.

• 1616 : L’Italien Niccolò Zucchi imagine le premier télescope à réflexion concave.

• 1634 : Un Français, le père Marin Mersenne, laisse la première mention d’un système de miroirs paraboliques.

• 1663 : L’Ecossais James Gregory, mathématicien et astronome, décrit le principe du télescope à réflexion.

Problème : Tous ces instruments n’étaient pas satisfaisants en raison de leurs faibles performances optiques. Mais le travail de Grégory inspire les astronomes, et c’est à qui construira en premier un télescope sur le modèle de Gregory : 
Laurent Cassegrain ? 
Isaac Newton ? 
Robert Hooke ?

Cassegrain et Newton : 350 ans après, ce sont toujours les télescopes les plus utilisés !

XVIIe et XVIIIe siècles : des télescopes toujours plus grands !

L’astronome allemand William Herschel (1738-1822) construit des réflecteurs de plus en plus gros.

Avec 15 cm de diamètre, il découvre la planète Uranus en 1781, ce qui le fait passer à la postérité. En fabricant lui-même ses télescopes, William Herschel en invente un nouveau type (très peu utilisé) : le « front view telescope », où l’observateur, placé à l’extrémité antérieure du tube, regarde dans la direction du miroir et tourne donc le dos aux objets qu’il scrute.

Herschel va jusqu’à construire un réflecteur en bronze de 122 cm de diamètre (sur un télescope de 12m de focale) en 1789 pour l’observatoire astronomique de Slough, en Angleterre.

Ce fut le plus gros télescope du monde jusqu'en 1845.

1845 : le Léviathan de William Parsons

Grâce au Léviathan, William Parsons découvre la nébuleuse du Crabe (1844) et met en évidence la structure des galaxies spirales (1850). Le Léviathan restera le plus gros télescope du monde durant 63 ans, de 1845 à 1908.

Malgré ses dimensions impressionnantes, le télescope devient brutalement obsolète vers 1885, avec le développement de la photographie. En effet, avec la possibilité d'observer avec de longs temps de pose, l'astrophotographie repousse brutalement les limites de l'observation.

1846 : le Britannique William Lassell découvre Triton, le plus gros satellite de Neptune, 17 jours seulement après la découverte de Neptune elle-même.

XXe siècle : les télescopes géants

1908 : George Ellery Hale met en service sur le mont Wilson, près de Los Angeles, un télescope doté d’un miroir de 1,5 mètre, miroir fabriqué en France par Saint-Gobain.

1917 : Le télescope Hooker, toujours au mont Wilson, resta pendant très longtemps le plus grand télescope du monde, jusqu'à ce que le télescope Hale de 5 mètres du mont Palomar fut achevé en 1949. Edwin Hubble utilisa les observations faites sur le Hooker pour parvenir à la conclusion qu'une partie des nébuleuses observées jusque-là étaient en réalité des galaxies situées bien au-delà de notre propre Voie lactée. Il mit par la suite en évidence le phénomène de fuite apparente des galaxies, en réalité dû à l'expansion de l'Univers.

La fin de la course au gigantisme

A partir du milieu du XXe siècle, on ne cherche plus à faire des télescopes de plus en plus grands. C’est désormais sur l’amélioration des outils et techniques que l’on se penche. Après l’œil et la photographie, on observe avec des détecteurs électroniques qui augmentent considérablement la sensibilité.

Le radiotélescope

Un radiotélescope est utilisé en radioastronomie pour capter les ondes radioélectriques émises par les astres. Ces ondes radio ne sont véritablement découvertes qu'au début des années 1930 par Karl Jansky lorsqu'il cherche l'origine de certaines interférences avec les transmissions radio terrestres.

Les miroirs alvéolés et segmentés

Pour résoudre les problèmes liés au poids, à la rigidité, à la fabrication et au polissage des miroirs naît l’idée des miroirs alvéolés et des miroirs segmentés. L’idée naît dans les années 50 mais la première réalisation, qui nécessitait l’assistance d’un ordinateur, a lieu en 1979.

Les limites de l’observation terrestre

Quelle que soit la qualité des outils, l’observation est contrainte par les turbulences de l’atmosphère terrestre. Apparaît alors l’optique adaptative, qui permet, soit en déformant le miroir en temps réel, soit en modifiant l’indice de réfraction, de corriger l’image.

Une autre solution : « éliminer » l’atmosphère... Les télescopes spatiaux permettent l’observation dans les infrarouge, les rayons X, l’ultraviolet, les rayons gamma.

A l’image de la science en général, l’histoire de l’astronomie est un voyage d’innovation constante dont les progrès seraient impossibles sans les instruments anciens.

Désormais, en regardant le ciel nocturne, souvenez-vous de la curiosité, de l’ingéniosité et de la persévérance qui ont façonné des siècles d’observations.