Si vous y réfléchissez, ce n'était qu'une question de temps avant que le premier télescope ne soit inventé. Les gens sont fascinés par les cristaux depuis des millénaires. De nombreux cristaux - le quartz par exemple - sont totalement transparents. D'autres - les rubis - absorbent certaines fréquences de lumière et en dépassent d'autres. La formation de cristaux en sphères peut être effectuée par clivage, culbutage et polissage - cela supprime les arêtes vives et arrondit la surface. Disséquer un cristal commence par trouver un défaut. La création d'une demi-sphère - ou segment cristallin - crée deux surfaces différentes. La lumière est recueillie par la face avant convexe et projetée vers un point de convergence par la face arrière plane. Parce que les segments cristallins ont des courbes sévères, le point de focalisation peut être très proche du cristal lui-même. En raison de courtes focales, les segments cristallins font de meilleurs microscopes que les télescopes.
Ce n'est pas le segment cristallin - mais la lentille de verre - qui a rendu possible les télescopes modernes. Les lentilles convexes sont sorties du verre dépoli de manière à corriger la vision à long terme. Bien que les lunettes et les segments de cristal soient convexes, les verres à longue vue ont des courbes moins sévères. Les rayons de lumière ne sont que légèrement courbés par rapport au parallèle. Pour cette raison, le point où l'image prend forme est beaucoup plus éloigné de l'objectif. Cela crée une échelle d'image suffisamment grande pour une inspection humaine détaillée.
La première utilisation de lentilles pour augmenter la vue remonte au Moyen-Orient du 11ème siècle. Un texte arabe (Opticae Thesaurus écrit par le scientifique-mathématicien Al-Hazen) note que des segments de boules de cristal pourraient être utilisés pour agrandir de petits objets. À la fin du XIIIe siècle, un moine anglais (faisant peut-être référence à la perspective de Roger Bacon de 1267) aurait créé les premiers spectacles pratiques de mise au point pour aider à lire la Bible. Ce n'est qu'en 1440 que Nicolas de Cuse a rectifié la première lentille pour corriger la myopie -1. Et il faudrait encore quatre siècles avant que les défauts de la forme du cristallin lui-même (astigmatisme) ne soient corrigés par un ensemble de lunettes. (Cela a été accompli par l'astronome britannique George Airy en 1827 quelque 220 ans après qu'un autre - un astronome plus célèbre - Johann Kepler ait d'abord décrit avec précision l'effet des lentilles sur la lumière.)
Les premiers télescopes ont pris forme juste après que le broyage des lunettes est devenu un moyen bien établi de corriger à la fois la myopie et la presbytie. Parce que les verres à longue vue sont convexes, ils font de bons «collecteurs» de lumière. Une lentille convexe prend des faisceaux parallèles à distance et les plie vers un point de focalisation commun. Cela crée une image virtuelle dans l'espace - une image qui peut être inspectée de plus près à l'aide d'un deuxième objectif. La vertu d'une lentille collectrice est double: elle combine la lumière (en augmentant son intensité) - et amplifie l'échelle de l'image - à un degré potentiellement bien supérieur à ce que l'œil seul est capable de faire.
Les lentilles concaves (utilisées pour corriger la myopie) diffusent la lumière vers l'extérieur et font paraître les choses plus petites à l'œil. Une lentille concave peut augmenter la distance focale de l'œil chaque fois que son propre système (cornée fixe et lentille morphing) ne parvient pas à focaliser une image sur la rétine. Les lentilles concaves font de bons oculaires car elles permettent à l'œil d'inspecter de plus près l'image virtuelle projetée par une lentille convexe. Cela est possible car les rayons convergents d'une lentille collectrice sont réfractés vers le parallèle par une lentille concave. L'effet est de montrer une image virtuelle à proximité comme à une grande distance. Une seule lentille concave permet au cristallin de se détendre comme s'il était focalisé sur l'infini.
La combinaison de lentilles convexes et concaves n'était qu'une question de temps. Nous pouvons imaginer la toute première occasion qui se produit lorsque des enfants jouent avec le travail de la lentille-meuleuse de la journée - ou peut-être lorsque l'opticien se sent appelé pour inspecter une lentille en utilisant une autre. Une telle expérience a dû sembler presque magique: une tour lointaine se profile instantanément comme si elle s'approchait à la fin d'une longue promenade; les personnages méconnaissables sont soudain vus comme des amis proches; les frontières naturelles - comme les canaux ou les rivières - sont franchies comme si les propres ailes de Mercure étaient attachées aux guérisons…
Une fois le télescope créé, deux nouveaux problèmes optiques se sont présentés. Les lentilles de collecte de lumière créent des images virtuelles incurvées. Cette courbe est légèrement "en forme de bol" avec le fond tourné vers l'observateur. Bien sûr, c'est exactement le contraire de la façon dont l'œil lui-même voit le monde. Car l'œil voit les choses comme si elles étaient disposées sur une grande sphère dont le centre se trouve sur la rétine. Il fallait donc faire quelque chose pour ramener les rayons du périmètre vers l'œil. Ce problème a été partiellement résolu par l'astronome Christiaan Huygens dans les années 1650. Il l'a fait en combinant plusieurs lentilles en une seule unité. L'utilisation de deux lentilles a amené davantage de rayons périphériques d'une lentille collectrice vers le parallèle. Le nouvel oculaire de Huygen aplatit efficacement l'image et a permis à l'œil de se concentrer sur un champ de vision plus large. Mais ce champ induirait encore la claustrophobie chez la plupart des observateurs d'aujourd'hui!
Le dernier problème était plus insoluble - les lentilles réfringentes courbent la lumière en fonction de la longueur d'onde ou de la fréquence. Plus la fréquence est élevée, plus une couleur particulière de la lumière est courbée. Pour cette raison, les objets affichant une lumière de différentes couleurs (lumière polychromatique) ne sont pas vus au même point de focalisation à travers le spectre électromagnétique. Fondamentalement, les lentilles agissent de manière similaire aux prismes - créant une gamme de couleurs, chacune avec son propre point focal unique.
Le premier télescope de Galileo n'a résolu que le problème d'avoir un œil suffisamment proche pour agrandir l'image virtuelle. Son instrument était composé de deux lentilles séparables par une distance contrôlée pour régler la mise au point. La lentille de l'objectif avait une courbe moins sévère pour collecter la lumière et l'amener à divers points de focalisation en fonction de la fréquence de couleur. Le plus petit objectif - possédant une courbe plus sévère de focale plus courte - a permis à l'œil observateur de Galileo de se rapprocher suffisamment de l'image pour voir les détails agrandis.
Mais la portée de Galileo ne pouvait être mise au point qu’au milieu du champ de vision de l’oculaire. Et la mise au point ne pouvait être définie qu'en fonction de la couleur dominante émise ou réfléchie par ce que Galileo regardait à l'époque. Galileo observait généralement des études brillantes - comme la Lune, Vénus et Jupiter - en utilisant un diaphragme d'ouverture et était fier d'avoir eu l'idée!
Christiaan Huygens a créé le premier oculaire - Huygenian - après l'époque de Galileo. Cet oculaire se compose de deux lentilles plan-convexes face à la lentille collectrice - pas une seule lentille concave. Le plan focal des deux lentilles se situe entre l'objectif et les éléments de la lentille oculaire. L'utilisation de deux lentilles aplatit la courbe de l'image - mais seulement sur une vingtaine de degrés de champ de vision apparent. Depuis l'époque de Huygen, les oculaires sont devenus beaucoup plus sophistiqués. À partir de ce concept original de multiplicité, les oculaires d'aujourd'hui peuvent ajouter une demi-douzaine d'éléments optiques réarrangés dans leur forme et leur position. Les astronomes amateurs peuvent désormais acheter des oculaires sur étagère offrant des champs raisonnablement plats dépassant 80 degrés de diamètre apparent-2.
Le troisième problème - celui des images multicolores teintées chromatiquement - n'a pas été résolu en télescopie jusqu'à ce qu'un télescope à réflecteur fonctionnel ait été conçu et construit par Sir Isaac Newton dans les années 1670. Ce télescope a complètement éliminé la lentille collectrice - même s'il nécessitait toujours l'utilisation d'un oculaire réfractaire (qui contribue beaucoup moins à la «fausse couleur» que l'objectif).
Pendant ce temps, les premières tentatives de fixation du réfracteur devaient simplement les allonger. Des portées jusqu'à 140 pieds de longueur ont été conçues. Aucun n'avait un diamètre de lentille particulièrement exorbitant. De tels dinosaures grêles nécessitaient un observateur vraiment aventureux à utiliser - mais ont «atténué» le problème de couleur.
Malgré l'élimination des erreurs de couleur, les premiers réflecteurs ont également rencontré des problèmes. La lunette de Newton a utilisé un miroir de spéculum à sol sphérique. Comparé au revêtement en aluminium des miroirs à réflecteur modernes, le spéculum est un artiste peu performant. À peu près aux trois quarts de la capacité de collecte de la lumière de l'aluminium, le spéculum perd environ une magnitude en prise de lumière. Ainsi, l'instrument de six pouces conçu par Newton se comportait plus comme un modèle contemporain de 4 pouces. Mais ce n'est pas ce qui a rendu l'instrument de Newton difficile à vendre, il a simplement fourni une très mauvaise qualité d'image. Et cela était dû à l'utilisation de ce miroir primaire sphériquement rectifié.
Le miroir de Newton n'a pas mis tous les rayons de lumière au point commun. La faute n’était pas due au spéculum, mais à la forme du miroir qui, s’il était étendu à 360 degrés, formerait un cercle complet. Un tel miroir est incapable d'amener les faisceaux lumineux centraux au même point de focalisation que ceux plus proches du bord. Ce n'est qu'en 1740 que l'Écossais John Short a corrigé ce problème (pour la lumière sur l'axe) en parabolisant le miroir. Short a accompli cela d'une manière très pratique: comme les rayons parallèles plus proches du centre d'un miroir sphérique dépassent les rayons marginaux, pourquoi ne pas simplement approfondir le centre et les freiner?
Ce n'est que dans les années 1850 que l'argent a remplacé le spéculum comme surface miroir de choix. Bien sûr, les plus de 1000 réflecteurs paraboliques fabriqués par John Short avaient tous des miroirs spéculatifs. Et l'argent, comme le spéculum, perd sa réflectivité assez rapidement au fil du temps à l'oxydation. En 1930, les premiers télescopes professionnels étaient recouverts d'aluminium plus durable et réfléchissant. Malgré cette amélioration, les petits réflecteurs apportent moins de lumière pour se concentrer que les réfracteurs d'ouverture comparable.
Pendant ce temps, les réfracteurs ont également évolué. À l'époque de John Short, les opticiens ont compris quelque chose que Newton n'avait pas - comment obtenir la lumière rouge et verte pour fusionner à un point de focalisation commun par réfraction. Cela a été accompli pour la première fois par Chester Moor Hall en 1725 et redécouvert un quart de siècle plus tard par John Dolland. Hall et Dolland ont combiné deux lentilles différentes - une convexe et l'autre concave. Chacun consistait en un type de verre différent (couronne et silex) réfractant la lumière différemment (en fonction des indices de réfraction). La lentille convexe en verre de couronne a fait la tâche immédiate de recueillir la lumière de toutes les couleurs. Ces photons pliés vers l'intérieur. La lentille négative a écarté le faisceau convergent légèrement vers l'extérieur. Lorsque l'objectif positif a provoqué un dépassement de la mise au point par la lumière rouge, l'objectif négatif a provoqué un sous-dépassement du rouge. Le rouge et le vert se sont mélangés et l'œil a vu le jaune. Le résultat a été le télescope réfracteur achromatique - un type privilégié par de nombreux astronomes amateurs aujourd'hui pour son faible coût, sa petite ouverture et son champ large, mais - dans des rapports focaux plus courts - moins que la qualité d'image idéale.
Ce n’est qu’au milieu du XIXe siècle que les opticiens ont réussi à faire passer le bleu-violet au rouge et au vert au point. Cette évolution est d'abord venue de l'utilisation de matériaux exotiques (fluorine) en tant qu'élément dans les objectifs de doublet des microscopes optiques de haute puissance - pas des télescopes. Des conceptions de télescopes à trois éléments utilisant des types de verre standard - des triplets - ont également résolu le problème une quarantaine d'années plus tard (juste avant le XXe siècle).
Les astronomes amateurs d'aujourd'hui peuvent choisir parmi un large éventail de types de lunettes et de fabricants. Il n'y a pas de portée unique pour tous les cieux, les yeux et les études célestes. Les problèmes de planéité du champ (en particulier avec les télescopes newtoniens rapides) et les tubes optiques lourds (associés aux grands réfracteurs) ont été traités par de nouvelles configurations optiques développées dans les années 1930. Les types d'instruments - tels que le SCT (télescope Schmidt-Cassegrain) et le MCT (télescope Maksutov-Cassegrain) ainsi que les variantes newton-esque Schmidt et Maksutov et les réflecteurs obliques - sont maintenant fabriqués aux États-Unis et dans le monde entier. Chaque type de portée a été développé pour répondre à une préoccupation valide ou autre liée à la taille de la portée, au volume, à la planéité du champ, à la qualité de l'image, au contraste, au coût et à la portabilité.
Pendant ce temps, les réfracteurs ont occupé le devant de la scène chez les optophiles - les gens qui veulent la meilleure qualité d'image possible, indépendamment d'autres contraintes. Les réfracteurs entièrement apochromatiques (à correction de couleur) fournissent certaines des images les plus étonnantes disponibles pour une utilisation en imagerie optique, photographique et CCD. Mais hélas, ces modèles sont limités à des ouvertures plus petites en raison des coûts nettement plus élevés des matériaux (cristaux exotiques à faible dispersion et verre), de la fabrication (jusqu'à six surfaces optiques doivent être façonnées) et des exigences de charge plus élevées (en raison des disques de verre lourds ).
Toute la variété des types de lunettes de visée d'aujourd'hui a commencé avec la découverte que deux lentilles de courbure inégale pouvaient être portées à l'œil pour transporter la perception humaine sur de grandes distances. Comme de nombreuses grandes avancées technologiques, le télescope astronomique moderne est né de trois ingrédients fondamentaux: la nécessité, l'imagination et une compréhension croissante de la façon dont l'énergie et la matière interagissent.
D'où vient donc le télescope astronomique moderne? Certes, le télescope a traversé une longue période d'amélioration constante. Mais peut-être, juste peut-être, le télescope est par essence un don de l'Univers lui-même exultant d'une profonde admiration à travers les yeux, les cœurs et les esprits humains…
-1 Des questions se posent quant à savoir qui a créé pour la première fois des lunettes corrigeant la vision de loin et de près. Il est peu probable qu'Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham ou Roger Bacon n'ait jamais utilisé un objectif de cette façon. Confondre la question de la provenance est la question de savoir comment les lunettes étaient réellement portées. Il est probable que la première aide visuelle a été simplement tenue à l'œil comme un monocle - la nécessité prenant le relais. Mais une telle méthode primitive serait-elle historiquement racontée comme «l'origine du spectacle»?
-2 La capacité d'un oculaire particulier à compenser une image virtuelle nécessairement incurvée est fondamentalement limitée par un rapport focal efficace et une archétecture de portée. Ainsi les télescopes dont la distance focale est plusieurs fois leur ouverture présentent moins une courbe instantanée au "plan image". Parallèlement, les oscilloscopes qui réfractent la lumière initialement (catadioptiques et réfracteurs) ont l'avantage de mieux gérer la lumière hors axe. Ces deux facteurs augmentent le rayon de courbure de l'image projetée et simplifient la tâche de l'oculaire de présenter un champ plat à l'œil.
A propos de l'auteur:
Inspiré par le chef-d'œuvre du début des années 1900: «Le ciel à travers des télescopes de trois, quatre et cinq pouces», Jeff Barbour a fait ses débuts en astronomie et en sciences spatiales à l'âge de sept ans. Actuellement, Jeff consacre une grande partie de son temps à observer les cieux et à maintenir le site Web Astro.Geekjoy.
