Les appareils que nous utilisons pour recueillir des données astronomiques s'appellent des télescopes. Selon la façon dont ils traitent les rayonnements électromagnétiques, ils présentent différents avantages, inconvénients et utilisations. La principale division utilisée dans l'étude des télescopes consiste à les classer en fonction du principal effet optique qui se produit en leur sein : la réflexion (pour les télescopes à réflexion) et la réfraction (pour les télescopes à réfraction).
Que sont la réflexion et la réfraction ?
Laréflexion est le changement de direction d'une onde à une interface séparant deux milieux différents, de sorte que l'onde est redirigée vers le milieu dans lequel elle se propageait.
Laréfraction est le changement de direction d'une onde lorsqu'elle quitte un milieu et entre dans un autre.
Ce sont les deux changements de direction qu'une onde électromagnétique peut subir lorsqu'elle rencontre différents objets ou milieux. Avec la diffraction, ils offrent une description précise et complète des phénomènes associés à la lumière provenant de l'univers et mesurés par les télescopes.
Lorsqu'une onde électromagnétique rencontre un nouveau milieu, il y a généralement une fraction qui est réfléchie et une fraction qui est réfractée. Il est utile, dans ce contexte, de noter les lois de Maxwell, les lois fondamentales de l'électromagnétisme qui décrivent chaque phénomène électromagnétique classique (et non quantique), et qui concernent des questions telles que :
- L'angle auquel la lumière est réfractée (indices de réfraction).
- Les conditions spécifiant la quantité de lumière réfractée et réfléchie.
- Pourquoi l'angle de réflexion est le même que l'angle d'incidence de l'onde entrante dans certaines circonstances.
Quelles sont les principales caractéristiques des télescopes réflecteurs ?
Dans les télescopes réflecteurs simples sous les hypothèses de miroirs idéaux, nous pouvons étudier la disposition des miroirs et le pouvoir de grossissement (l'amplification des images fournies par le télescope) pour les classer. L'étude de la disposition est un moyen de comprendre des conceptions plus complexes tandis que l'étude du grossissement nous permet de comprendre la structure mathématique qui se cache derrière les télescopes, ce que nous pouvons faire pour les améliorer et les problèmes que nous pouvons rencontrer.
Schéma et structure d'un télescope réflecteur
L'objet optique idéal qui réfracte toute la lumière et n'en reflète aucune fraction s'appelle une lentille. Ces lentilles sont utilisées dans les lunettes de vue ou dans les télescopes. L'objet optique idéal qui réfléchit toute la lumière et n'en réfracte aucune fraction s'appelle un miroir. Vois le schéma suivant d'un miroir parabolique concave.
Figure 1. Miroir parabolique concave. Source : Gustavo Girardelli, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0).
Les miroirs concaves sont des dispositifs très simples qui permettent de recueillir des données électromagnétiques. Sur l'image, les rayonnements électromagnétiques provenant des objets astronomiques sont représentés par les lignes horizontales. Lorsqu'ils rencontrent le miroir, ils sont réfléchis vers un point F appelé foyer.
La raison pour laquelle nous considérons un miroir parabolique est qu'il peut réfléchir tous les rayons parallèles entrants vers le même point. Intuitivement, nous pouvons voir que ce dispositif prend des informations dans une région de l'espace et les concentre dans une petite région, ce qui nous permet d'agrandir les images avec une haute résolution.
Tu trouveras ci-dessous un schéma de l'un des modèles les plus courants de télescopes réflecteurs : le télescope Cassegrain.
Figure 2. Un télescope Cassegrain. Source : HHahn, Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0).
Le fonctionnement de ces télescopes repose sur la collecte du rayonnement électromagnétique par un miroir parabolique concave (miroir primaire) et le placement d'un miroir convexe (miroir secondaire) devant le foyer du miroir primaire. Ce dernier miroir réfléchit à nouveau la lumière et la concentre vers l'œil de l'observateur ou un appareil capable de traiter le signal entrant.
Grossissement des télescopes à réflexion
Legrossissement est l'augmentation de l'image d'un objet par rapport à la taille de l'objet après avoir été traitée par un système optique tel qu'un télescope.
La capacité d'un télescope à recueillir la lumière est déterminée par la surface du miroir. Les télescopes réflecteurs modernes utilisent des miroirs primaires dont le diamètre peut atteindre 10 mètres. Le diamètre du miroir primaire détermine la quantité de rayonnement électromagnétique que le télescope peut recueillir, mais il ne détermine pas le pouvoir de grossissement du télescope.
La dérivation du pouvoir de grossissement d'un télescope à réflexion n'est pas abordée ici, mais elle est basée sur les mêmes lois que celles décrites dans l'explication des télescopes astronomiques. Notons toutefois que le grossissement d'un télescope à réflexion est déterminé par l'équation suivante :
[M = \frac{f_p}{f_s}\].
Ici, fp et fs sont les distances focales des miroirs primaire et secondaire, respectivement. La distance focale est une grandeur caractéristique des lentilles et des miroirs qui est déterminée par le point vers lequel les rayons lumineux sont déviés. Par exemple, pour les miroirs concaves paraboliques, c'est la distance entre le centre du miroir et le point où tous les rayons convergent.
Cela suggère que les télescopes les plus réfléchissants sont obtenus en utilisant un miroir primaire avec une grande distance focale et un miroir secondaire avec une petite distance focale. L'exemple ci-dessous en est une preuve simple.
Considérons un miroir primaire d'un diamètre de 5 mètres que nous avons déjà monté pour l'utiliser dans le cadre d'un télescope réflecteur Cassegrain. La distance focale de ce miroir est de 10 mètres. On nous donne trois miroirs qui serviront de miroirs secondaires et dont les caractéristiques sont les suivantes :
- Un miroir de 5 cm de diamètre et de 5 cm de distance focale.
- Un miroir de 5 cm de diamètre et de 1 cm de distance focale.
- Un miroir de 5 m de diamètre et de 1 mm de distance focale.
Quel est le meilleur miroir à utiliser comme miroir secondaire et pour construire un télescope réfléchissant ?
En regardant le grossissement, nous obtenons les résultats suivants :
- \(M = \frac{f_p}{f_s} = \frac{10 m}{0,05 m} = 200\)
- \(M = \frac{f_p}{f_s} = \frac{10 m}{0,01 m} = 1000\)
- \(M = \frac{f_p}{f_s} = \frac{10 m}{0.001 m} = 10000\)
Cela signifie que les objets apparaissent 200, 1000 et 10 000 fois plus grands avec chacun de ces miroirs. Bien que le choix logique semble être le troisième miroir, nous devons tenir compte du fait qu'il a un très grand diamètre qui nous empêche de recevoir la lumière correctement (imagine-le à l'aide de la figure 2). Le meilleur choix est donc le deuxième miroir. Habituellement, cependant, nous considérons de petits miroirs secondaires dont le blocage de la lumière est presque sans importance.
Comparaison entre les télescopes réflecteurs et les télescopes réfracteurs
Les télescopes utilisés dans les observatoires astronomiques sont pour la plupart des télescopes réflecteurs car ils sont mieux adaptés à la tâche. Voyons pourquoi il en est ainsi et quelles sont les meilleures utilisations des télescopes réflecteurs et réfracteurs.
Les télescopes réfracteurs
Les principaux inconvénients des télescopes réfracteurs sont liés à la façon dont les lentilles sont fabriquées et manipulées. Alors qu'un miroir peut être facilement manipulé avec un dispositif placé derrière lui, les lentilles ne peuvent être tenues que par leurs bords (afin qu'il n'y ait pas d'interférence avec la lumière réfractée). C'est la raison pour laquelle les lentilles ne peuvent pas être fabriquées de manière arbitraire. Les lentilles sont également des objets très denses (surtout si leur distance focale doit être grande), ce qui les rend très lourdes. Tous ces facteurs font que les télescopes à réfraction ne conviennent pas à des fins scientifiques.
Examinons maintenant les aberrations optiques.
Une aberration optique est une propriété d'un système optique qui fait que la lumière qui le traverse s'étale au lieu de se concentrer sur un point.
En d'autres termes, les aberrations sont des imperfections des systèmes optiques. Elles ne sont pas dues à des défauts de fabrication des appareils mais plutôt à leurs conditions physiques. Pour les télescopes réfracteurs, on trouve deux types d'aberrations :
L'aberration chromatique: c'est l'étalement anormal de la couleur après avoir été réfractée car les couleurs ont des indices de réfraction légèrement différents. Elle déforme les images puisqu'elle "étale leur couleur".
L'aberrationsphérique: c'est l'étalement anormal des rayons lumineux causé par le fait que les lentilles ne sont pas idéales et ne conduisent donc pas des rayons lumineux parallèles exactement au même point.
Télescopes à réflexion
Les télescopes réflecteurs présentent plusieurs avantages grâce aux propriétés des miroirs. Tout d'abord, les miroirs sont beaucoup plus faciles à fabriquer et à manipuler. On peut les tenir par derrière sans problème, ils peuvent être très fins et les techniques modernes permettent d'utiliser plusieurs miroirs et de composer des images et des informations avec eux (miroirs segmentés). Les miroirs ne souffrent pas non plus d'aberration chromatique puisque (idéalement) il n'y a pas de réfraction, seulement de la réflexion. Et l'utilisation de miroirs paraboliques nous permet également de traiter l'aberration sphérique.
Bien que les miroirs ne soient jamais idéaux et qu'il y ait toujours de petits effets d'aberration à cause de certaines réfractions et aberrations dans l'oculaire et le miroir secondaire, les télescopes réflecteurs ont plus d'avantages que les télescopes réfracteurs à des fins scientifiques. Cependant, il convient de mentionner que de nombreux télescopes optiques utilisés en astronomie amateur sont des télescopes réfracteurs car ils sont moins chers et peuvent donner de très bons résultats.
Télescopes réflecteurs - Principaux enseignements
- Les télescopes recueillent les rayonnements électromagnétiques provenant de différentes parties de l'univers. Ils traitent généralement ce rayonnement par réfraction et réflexion.
- Les télescopes réflecteurs utilisent des miroirs tandis que les télescopes réfracteurs utilisent des lentilles.
- Un modèle courant de télescope réflecteur est le télescope Cassegrain, qui utilise deux miroirs. L'un recueille les rayonnements électromagnétiques et l'autre les redirige. Le rapport de leurs distances focales détermine le pouvoir de grossissement du télescope réflecteur.
- En général, les télescopes réflecteurs présentent plus d'avantages que les télescopes réfracteurs, ce qui les rend plus adaptés à des fins scientifiques.
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