Un télescope fonctionne comme un instrument permettant d'observer des entités distantes par leur émission, absorption ou réflexion de rayonnement électromagnétique. Initialement, ce terme faisait spécifiquement référence aux instruments optiques qui utilisaient des lentilles, des miroirs incurvés ou une combinaison de ceux-ci pour visualiser des objets distants. Actuellement, la définition de « télescope » englobe un large éventail de dispositifs conçus pour détecter divers segments du spectre électromagnétique, ainsi que d'autres types de détecteurs dans certaines applications.
Un télescope est un appareil utilisé pour observer des objets éloignés par leur émission, absorption ou réflexion de rayonnement électromagnétique. À l’origine, il s’agissait d’un instrument optique utilisant des lentilles, des miroirs incurvés ou une combinaison des deux pour observer des objets distants : un télescope optique. De nos jours, le mot « télescope » est défini comme un large éventail d'instruments capables de détecter différentes régions du spectre électromagnétique et, dans certains cas, d'autres types de détecteurs.
Les premiers télescopes pratiques documentés étaient des instruments réfringents, utilisant des lentilles en verre, développés aux Pays-Bas au début du XVIIe siècle. Ces dispositifs ont trouvé leur utilité à la fois dans les observations terrestres et les études astronomiques.
Les télescopes à réflexion, qui utilisent des miroirs pour la collecte et la focalisation de la lumière, sont apparus quelques décennies après l'invention du premier télescope réfringent.
Le 20e siècle a vu le développement de nombreux nouveaux modèles de télescopes, notamment les radiotélescopes dans les années 1930 et les télescopes infrarouges dans les années 1960.
Étymologie
Le terme télescope a été introduit en 1611 par le mathématicien grec Giovanni Demisiani, spécifiquement pour l'un des instruments de Galileo Galilei présenté lors d'un banquet organisé par l'Académie dei Lincei. Auparavant, dans son œuvre Starry Messenger, Galilée avait employé la désignation latine perspicillum. Le fondement étymologique du mot dérive du grec ancien τῆλε, tele, signifiant « loin », et σκοπεῖν, skopein, signifiant « regarder ou voir », culminant dans τηλεσκόπος, teleskopos, qui se traduit par « voir loin ».
Historique
La première trace documentée d'un télescope remonte à une demande de brevet déposée en 1608 auprès du gouvernement néerlandais par Hans Lipperhey, un fabricant de lunettes de Middelburg, pour un télescope réfracteur. Bien que le véritable inventeur reste inconnu, la connaissance de cette invention s'est rapidement répandue à travers l'Europe. En l'apprenant, Galilée a construit sa propre itération en 1609, menant ensuite ses célèbres observations télescopiques des corps célestes.
Le concept d'utiliser un miroir plutôt qu'une lentille comme objectif, ou composant de collecte de lumière, a été exploré peu de temps après l'invention du télescope réfracteur. Les avantages potentiels des miroirs paraboliques, notamment l'atténuation de l'aberration sphérique et l'élimination de l'aberration chromatique, ont suscité de nombreuses propositions de conception et de multiples efforts pour construire des télescopes à réflexion. En 1668, Isaac Newton construisit avec succès le premier télescope à réflexion pratique, une conception désormais reconnue sous le nom de réflecteur newtonien. John Dobson a ensuite inventé le télescope Dobson en 1956.
Le développement de la lentille achromatique en 1733 a partiellement rectifié les aberrations chromatiques inhérentes aux lentilles simples, facilitant ainsi la création de télescopes réfringents plus compacts et plus efficaces. Bien que les télescopes à réflexion ne souffrent pas des problèmes de couleur observés dans les réfracteurs, leurs performances ont été initialement limitées par le ternissement rapide des miroirs métalliques spéculum utilisés tout au long du XVIIIe et du début du XIXe siècle. Cette limitation a été surmontée par l'avènement des miroirs en verre argenté en 1857 et des miroirs aluminisés en 1932. La contrainte de taille physique pratique pour les télescopes réfringents est d'environ 1 mètre (39 pouces), ce qui a conduit à la construction de la grande majorité des grands télescopes de recherche optique depuis le début du 20e siècle étant des réflecteurs. Les télescopes à réflexion contemporains comportent des objectifs dépassant 10 mètres (33 pieds) de diamètre, avec plusieurs modèles d'instruments de 30 à 40 mètres actuellement en cours de développement.
Le 20e siècle a également marqué l'émergence de télescopes capables de fonctionner sur un large spectre de longueurs d'onde, allant des ondes radio aux rayons gamma. Le premier radiotélescope dédié a commencé à fonctionner en 1937. Par la suite, une gamme diversifiée d'instruments astronomiques sophistiqués a été conçue.
Télescopes spatiaux
Étant donné que l'atmosphère terrestre est largement opaque sur la majeure partie du spectre électromagnétique, seules des bandes spécifiques, telles que la lumière visible, le proche infrarouge et un segment du spectre des ondes radio, sont observables depuis la surface de la planète. Par conséquent, il n’existe pas de télescopes au sol à rayons X ou à infrarouge lointain, car les observations dans ces gammes nécessitent un déploiement orbital. De plus, même pour les longueurs d'onde observables depuis le sol, le positionnement d'un télescope sur un satellite peut offrir des avantages en atténuant les défis tels que la couverture nuageuse, les effets de vision atmosphérique et la pollution lumineuse.
Cependant, le déploiement d'un télescope spatial présente plusieurs inconvénients, notamment un coût considérable, des limites de taille inhérentes et des défis liés à la maintenance et à l'évolutivité.
La NASA exploite plusieurs télescopes spatiaux remarquables, notamment le télescope spatial Hubble, qui observe la lumière visible, l'ultraviolet et le proche infrarouge ; le télescope spatial Spitzer, conçu pour la détection du rayonnement infrarouge ; et le télescope spatial Kepler, crédité de la découverte de milliers d'exoplanètes. Le lancement le plus récent, le télescope spatial James Webb, a eu lieu le 25 décembre 2021 depuis Kourou, en Guyane française, et est spécialisé dans la détection de la lumière infrarouge.
Classification par spectre électromagnétique
Le terme « télescope » englobe un large éventail d'instruments. Bien que la majorité d'entre elles soient conçues pour détecter le rayonnement électromagnétique, il existe des variations significatives dans les méthodologies utilisées par les astronomes pour collecter le rayonnement électromagnétique sur des bandes de fréquences distinctes.
À mesure que les longueurs d'onde électromagnétiques augmentent, l'application de la technologie des antennes pour interagir avec le rayonnement devient plus réalisable, bien que des antennes miniatures soient également constructibles. Le rayonnement proche infrarouge peut être collecté à l’aide de méthodes similaires à celles de la lumière visible. À l’inverse, dans les domaines infrarouge lointain et submillimétrique, les télescopes fonctionnent souvent comme des radiotélescopes. Par exemple, le télescope James Clerk Maxwell, qui observe des longueurs d'onde allant de 3 μm (0,003 mm) à 2 000 μm (2 mm), utilise une antenne parabolique en aluminium. En revanche, le télescope spatial Spitzer, fonctionnant dans une plage approximative de 3 μm (0,003 mm) à 180 μm (0,18 mm), utilise un système optique réfléchissant à base de miroir. De même, le télescope spatial Hubble, équipé de la caméra à grand champ 3, utilise également des optiques réfléchissantes pour observer des fréquences d'environ 0,2 μm (0,0002 mm) à 1,7 μm (0,0017 mm), allant de l'ultraviolet à l'infrarouge.
Pour les photons caractérisés par des longueurs d'onde plus courtes et des fréquences plus élevées, des optiques à incidence oblique sont utilisées au lieu d'optiques entièrement réfléchissantes. Des instruments comme TRACE et SOHO intègrent des miroirs spécialisés pour réfléchir le rayonnement ultraviolet extrême, obtenant ainsi une résolution et une luminosité supérieures dans leurs images. De plus, une taille d'ouverture accrue facilite non seulement la collecte de plus de lumière, mais améliore également la résolution angulaire.
Les télescopes peuvent être classés en fonction de leur emplacement opérationnel, y compris les plates-formes au sol, spatiales ou aéroportées. Une classification supplémentaire fait la distinction entre les instruments exploités par des astronomes professionnels et ceux gérés par des astronomes amateurs. Une installation, qu'elle soit mobile ou stationnaire, qui abrite un ou plusieurs télescopes ou autres instruments scientifiques est désignée comme observatoire.
Radiotélescopes et submillimétriques
Les radiotélescopes fonctionnent comme des antennes radio directionnelles, utilisant généralement une grande parabole pour recueillir les ondes radio. Ces paraboles sont parfois fabriquées à partir d'un treillis métallique conducteur, avec des ouvertures conçues pour être plus petites que la longueur d'onde observée.
Contrairement aux télescopes optiques, qui génèrent des images agrandies des régions célestes, les antennes paraboliques des radiotélescopes classiques intègrent généralement un seul récepteur qui enregistre un signal variable dans le temps, représentatif de la zone observée ; ce signal peut être échantillonné sur plusieurs fréquences. Cependant, certaines conceptions de radiotélescopes contemporaines comportent une seule parabole équipée d'un réseau de récepteurs multiples, une configuration appelée réseau à plan focal.
Des images haute résolution peuvent être générées en collectant et en corrélant simultanément les signaux de plusieurs paraboles. Ces configurations multi-paraboles sont appelées interféromètres astronomiques et la méthodologie est connue sous le nom de synthèse d'ouverture. Les ouvertures « virtuelles » créées par ces réseaux se rapprochent de la séparation physique entre les télescopes individuels. Depuis 2005, la plus grande taille de réseau enregistrée dépassait largement le diamètre de la Terre, obtenue grâce à des télescopes spatiaux d'interférométrie à très longue base (VLBI), illustrés par le satellite japonais HALCA (Laboratoire hautement avancé pour les communications et l'astronomie) VSOP (Programme d'observatoire spatial VLBI).
La synthèse d'ouverture est actuellement étendue aux télescopes optiques, en utilisant des interféromètres optiques (qui sont des réseaux de télescopes optiques) et des outils d'ouverture. masquant l'interférométrie sur des télescopes à réflexion individuels.
De plus, les radiotélescopes sont utilisés pour collecter le rayonnement micro-ondes, ce qui offre l'avantage de pénétrer dans l'atmosphère terrestre ainsi que dans les nuages de gaz et de poussière interstellaires.
Certains radiotélescopes, y compris l'Allen Telescope Array, sont utilisés par des initiatives comme SETI et l'Observatoire d'Arecibo dans la quête de la vie extraterrestre.
Télescopes infrarouges
Télescopes à lumière visible
Les télescopes optiques collectent et concentrent principalement la lumière dans la région visible du spectre électromagnétique. Ces instruments améliorent à la fois la taille angulaire apparente et la luminosité perçue des corps célestes éloignés. Pour faciliter l'observation, la photographie, l'analyse scientifique et la transmission numérique, les télescopes utilisent un ou plusieurs composants optiques incurvés, généralement construits à partir de lentilles ou de miroirs en verre, pour faire converger la lumière incidente et d'autres rayonnements électromagnétiques vers un point focal précis. Au-delà des applications astronomiques, les télescopes optiques sont intégrés dans de nombreux appareils non astronomiques, tels que les théodolites (y compris les transits), les lunettes d'observation, les monoculaires, les jumelles, les objectifs d'appareil photo et les lunettes d'espionnage. Leurs principales classifications optiques incluent :
- Les télescopes réfringents utilisent des lentilles pour la formation d'images.
- Les télescopes à réflexion utilisent une configuration de miroirs pour générer une image.
- Les télescopes catadioptriques intègrent à la fois des miroirs et des lentilles pour la création d'images.
L'imageur de Fresnel représente une conception conceptuelle et ultra-légère de télescope spatial qui utilise une lentille de Fresnel pour la focalisation de la lumière.
En plus de ces catégories optiques fondamentales, il existe de nombreux sous-types spécialisés, qui se distinguent par leurs fonctions spécifiques, tels que les astrographes, les chercheurs de comètes et les télescopes solaires.
Rayonnement ultraviolet
Étant donné que l'atmosphère terrestre absorbe la majorité du rayonnement ultraviolet, les observations à ces longueurs d'onde nécessitent un déploiement dans la haute atmosphère ou dans l'espace.
Rayonnement de rayons X
La collecte et la focalisation des rayons X présentent des défis bien plus importants que le rayonnement électromagnétique de longueurs d'onde plus longues. Les télescopes à rayons X intègrent fréquemment des optiques à rayons X spécialisées, illustrées par les télescopes Wolter, qui consistent en des miroirs à « incidence oblique » en forme d'anneau fabriqués à partir de métaux lourds, capables de réfléchir les rayons X à des angles très faibles. Ces miroirs comprennent généralement des sections de paraboles et d'hyperboles tournées, ou d'ellipses. En 1952, Hans Wolter proposa trois configurations distinctes pour construire des télescopes exclusivement avec ce type de miroir. Les observatoires spatiaux notables utilisant cette conception de télescope comprennent l'Observatoire Einstein, ROSAT et l'Observatoire à rayons X Chandra. Le télescope à rayons X NuSTAR, lancé en 2012, utilise l'optique du télescope Wolter positionnée à l'extrémité d'un mât déployable étendu, facilitant la détection de photons avec des énergies allant jusqu'à 79 keV.
Rayonnement gamma
Les télescopes conçus pour les rayons X et les rayons gamma de plus haute énergie renoncent généralement à la mise au point conventionnelle et utilisent à la place des masques d'ouverture codés. Les motifs d'ombre générés par ces masques peuvent ensuite être reconstruits informatiquement pour former une image.
En raison de l'opacité atmosphérique de la Terre pour ces segments du spectre électromagnétique, les télescopes à rayons X et gamma sont généralement déployés sur des ballons à haute altitude ou des satellites en orbite autour de la Terre. Le télescope spatial Fermi Gamma-ray, lancé en juin 2008, constitue un exemple frappant d'un tel instrument.
La détection des rayons gamma de très haute énergie, caractérisés par des longueurs d'onde plus courtes et des fréquences plus élevées que les rayons gamma conventionnels, nécessite une instrumentation spécialisée. Ces détections sont réalisables à l'aide de télescopes d'imagerie atmosphérique Tchérenkov (IACT) ou de détecteurs Tchérenkov d'eau (WCD). H.E.S.S. et VERITAS sont des exemples d'IACT, avec le réseau de télescopes Cherenkov (CTA) de nouvelle génération actuellement en construction. HAWC et LHAASO représentent des détecteurs de rayons gamma qui utilisent les principes du détecteur Cherenkov à eau.
Une découverte de 2012 suggère une méthode potentielle de focalisation des télescopes à rayons gamma, notant que l'indice de réfraction commence à augmenter à nouveau à des énergies de photons supérieures à 700 keV.
Classifications des télescopes
Références
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