L'OBSERVATION ASTRONOMIQUE

Les instruments de l'observation astronomique

L'astronomie à pour objet l'étude de tout ce qui se trouve dans l'espace qui nous entoure. Il nous faut donc observer, d'abord pour voir ce qu'il y a dans cet espace. Ceci a été fait depuis la nuit des temps. L'astronomie a peu varié pendant des millénaires. Avec le progrès et l'apparition de l'astrophysique, la situation a radicalement changé. L'astronomie cherche aujourd'hui à expliquer ce qu'elle observe. Sa méthode de travail est le raisonnement déductif basé sur la mesure, comme pour toutes les autres branches des sciences physiques. Le résultat de ses observations sera donc toujours, in fine, des nombres. Ces nombres seront alors utilisés pour tenter de découvrir, à l'aide des lois - des formules - que nous connaissons déjà, de nouvelles relations entre grandeurs physiques et aboutir ainsi à de nouvelles conclusions qu'il faudra confronter à la réalité par de nouvelles observations qui les confirmeront ou, au contraire, nous obligeront à abandonner la voie nouvelle entrevue.

Ce scénario, résumé ici en quelques lignes, est en réalité d'une très grande complexité et est toujours affaire de patience et d'obstination. Son aboutissement demande des années, voire des dizaines d'années. Il est, aujourd'hui, toujours, le résultat de la participation de très nombreuses personnes.

La configuration instrumentale type.

L'astronomie est multiple. Il n'y a pas une astronomie mais des astronomies. Ceci est vrai, aussi, du point de vue instrumental. Dans tous les cas, cependant, il y a une chose qui ne variera pas dans les équipements instrumentaux, c'est l'association de trois matériels, un collecteur, un dispositif d'analyse et un détecteur.

1. Le collecteur

Le collecteur est, comme son nom l'indique, un instrument destiné à collecter la lumière. Ce sont les lunettes astronomiques d'autrefois et aujourd'hui les télescopes. Plus la lentille ou le miroir est grand et plus la quantité de lumière reçue est importante, ce qui permet de voir des objets de plus en plus faibles. Le premier de tous les collecteurs qui ait existé sur cette planète est l'oeil humain. C'est parce que sa pupille est vraiment très petite que l'on a cherché (et réussi grâce à Galilée) à la remplacer par autre chose. Nous allons voir les différents types de télescope existants ainsi que la différence -fondamentale- entre une lunette et un télescope.

2. Le dispositif d'analyse

C'est lui qui va isoler le paramètre à mesurer. On peut définir quatre principaux types de dispositifs d'analyse :

l'imagerie : le but va être de recueillir une image d'un morceau de ciel pour laquelle vont être importantes : la stabilité spatiale du détecteur (être sûr que les distances mesurées sur le détecteur correspondent à quelque chose de réel sur le ciel) et la résolution, c'est-à-dire le pouvoir de distinguer des détails très fins dans les images recueillies. Comme il a été dit dans le chapitre sur la sphère céleste, on observe exclusivement des angles ou distances angulaires et la résolution d'un dispositif d'analyse se mesure en angle : plus la résolution est grande, plus les détails que l'on peut percevoir ont un faible diamètre angulaire. On verra que cette résolution est d'abord limitée par le télescope utilisé;
le photomètre : son but est de recueillir de la lumière dans une gamme de longueurs d'onde donnée (sélectionnée par un filtre) et d'en mesurer la quantité au cours du temps. Des sources stellaires fixes seront censées être les références;
le spectrographe : il sépare le rayonnement lumineux reçu en ses diverses composantes pour chaque longueur d'onde et permet de remonter à la nature du corps émetteur. Nous verrons comment on utilise le principe de la spectroscopie en astronomie;
le polarimètre : il utilise la propriété de la lumière d'être polarisée après la traversée d'un milieu particulier.

Il existe des dispositifs d'analyse standards utiles à de nombreux chercheurs, aussi bien des imageurs (cibles CCD), des photomètres ou des spectrographes. A côté de ces appareils standards, d'autres appareils très spécifiques sont développés, généralement par les équipes qui vont les utiliser, pour effectuer une observation bien particulière. A titre d'exemple, on peut citer tous les photomètres construits pour les observations de phénomènes exceptionnels tels que les occultations d'étoiles par des objets proches de nous, généralement des objets du système solaire. Ces photomètres rapides ne servent qu'à ce type d'observation. Standard ou non, le dispositif d'analyse est toujours un instrument complexe et souvent coûteux car il doit être très performant, donc travailler à la limite des performances de ses composants.

3. Le détecteur.

Le détecteur est placé derrière le dispositif d'analyse et mesure le paramètre sélectionné par celui-ci. La plaque photographique à été le premier détecteur moderne. Elle a rendu des services immenses et nous possédons aujourd'hui avec elle une mémoire de l'astronomie qui pourrait bien, un jour, s'avérer, supérieure à celle des techniques informatiques. Aujourd'hui, le récepteur électronique CCD composé d'une mosaïque d'éléments photosensibles est quasiment utilisé d'une façon universelle.

Ce "trio", collecteur, dispositif d'analyse et détecteur, nous l'avons déjà dit, se retrouve dans toutes les branches de l'astronomie. Examinons brièvement ce point. On peut schématiquement faire une distinction entre :

- l'astronomie fondamentale ou astrométrie : on ne s'intéresse qu'à la position des astres dans le ciel et à leurs mouvements donc on travaille en imagerie. L'instrument essentiel de cette branche est la lunette (autrefois) ou le télescope (aujourd'hui) associé à l'oeil (autrefois) ou la plaque photo (il y a encore peu de temps) ou la caméra CCD (aujourd'hui). A noter que la mesure de la vitesse radiale des étoiles se pratique à l'aide d'un spectrographe.

- l'astrophysique : on s'intéresse à la physique des corps du système solaire et des objets stellaires : composition, évolution, naissance, vie et mort et on essaie de comprendre, avec l'aide de la théorie "comment fonctionne une étoile ou une galaxie et ce qui se passe à l'intérieur". On fait appel pour cela principalement à la spectrographie et à la polarimétrie.

Le collecteur est toujours le télescope mais les dispositifs d'analyse qu'on y associe sont beaucoup plus nombreux car les méthodes d'investigation instrumentales sont très diversifiées. Ce sont les caméras pour l'imagerie, les spectrographes pour la spectroscopie, les bolomètres pour les mesures de flux stellaires, les polarimètres pour l'étude de la lumière polarisée, etc Quant au détecteur, c'est aujourd'hui, le plus souvent un CCD.

Nous n'avons abordé jusque là que l'analyse du rayonnement électromagnétique du domaine optique (c'est-à-dire dont la longueur d'onde est comprise entre 10 nanomètres et 10 micromètres) qui inclut l'ultraviolet, le visible (de 400 à 800 nanomètres) et l'infrarouge. Les télescopes utilisés dans les autres domaines seront très différents des télescopes utilisés en optique. Citons par exemple la radioastronomie, dont la finalité est aussi d'ordre astrophysique, mais qui se distingue essentiellement par le domaine de longueur d'onde qu'elle cherche à explorer. Les instruments qu'elle utilise relèvent du domaine radio (centimétrique et millimétrique). Même le collecteur est d'un type différent. Mettant à profit la grande longueur d'onde de ce domaine vis-à-vis du domaine optique, on fait l'économie d'un miroir poli, en adoptant pour le remplacer, un simple grillage dont la maille est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. En ce qui concerne l'astronomie des rayons X et l'astronomie gamma, toute la chaîne instrumentale a dû être repensée.

Crédit : L. Vapillon/observatoire de Paris

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