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Microscope et télescope : des instruments pour voir plus gros et plus loin

Dossier - L'œil : la vision au-delà de la vision
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L'œil est notre principal organe de communication avec l'extérieur, il est complexe. Proche de l'œil de seiche, il dérive des mêmes gènes que l'œil de mouche… Découvrons son anatomie, ses pathologies, la vision des vertébrés et des invertébrés ou encore d'où viennent les larmes et les couleurs de l'iris.

  
DossiersL'œil : la vision au-delà de la vision
 

Voir ce qu'on ne voit pas mais que l'on devine... Découvrons l'histoire et les caractéristiques de ces instruments qui perfectionnent notre œil et invitent à satisfaire notre insatiable curiosité de la richesse de l'univers.

Voir l'infiniment petit... © PublicDomainPictures, Pixabay, DP

Nous prendrons deux exemples : le microscope et le télescope. Il y a bien sûr les loupes, jumelles, appareils photos et leurs nombreux objectifs dans le domaine du public et les microscopes ou télescopes très sophistiqués dans le domaine des scientifiques...

Le microscope : voir plus gros

Il existe aujourd'hui deux grandes classes de microscopes :

Le microscope optique : à l'instar de la loupe, c'est un instrument d'optique permettant d'examiner des objets ou leurs détails, trop petits pour être vus à l'œil nu.

La plus ancienne lentille découverte (-700), dont on ne connaît pas l'usage, est une lentille plan convexe provenant des ruines de Ninive. Sénèque remarque que les objets deviennent plus gros et plus distincts lorsqu'ils sont vus au travers d'une sphère remplie d'eau. À Rome, les médecins cautérisaient les plaies grâce à la lumière solaire concentrée par une lentille.

Ce n'est qu'à la fin du XIIIe siècle que l'Anglais Bacon en signale l'utilisation pour la correction des défauts de l'œil : les lunettes sont inventées. Cette invention, également attribuée à Alexandre de Spina ou à Armatti, est attestée par les portraits des cardinaux Nicolas de Rouen et Hughes de Provence, peints par Thomas de Modène en 1352. On savait donc tailler et polir des lentilles, et Bacon, à qui l'on attribue également l'invention du télescope, rend compte de principes applicables au microscope.

Microscope optique, schéma de fonctionnement

En 1592, Hufnagel publie un ouvrage sur l'observation des insectes à la loupe, et les premiers microscopes simples (loupes puissantes) ou composés existent déjà. Les microscopes composés les plus anciennement connus datent de 1590. Ils ont été construits par les opticiens lunetiers hollandais Jansen père et fils, qui ont découvert les capacités de l'association de plusieurs lentilles en observant le paysage à travers les vitres (dites aujourd'hui « culs de bouteille ») des fenêtres de leur atelier.

Puis Fontana en 1618 et de Drebbel en 1621. En 1667, Robert Hooke, dans son traité Micrographia, présente un microscope à trois lentilles en verre coulé de forme déjà classique, avec une table pour porter l'objet, une possibilité de mise au point, un système d'éclairage à condenseur avec lequel il observe des cellules végétales.

On sait donc déjà fabriquer des lentilles et le Hollandais Van Leeuwenhoek, drapier de son état, nous en a transmis de remarquables. Plus que l'inventeur du microscope, il est celui de la microscopie, il a pu publier, dès 1673, de nombreuses observations qui ont manifestement donné le goût de cette recherche à ses contemporains. Il décrit des bactéries, les protozoaires, les spermatozoïdes, observe l'œil, la bouche, la trompe de l'abeille... On lui connaît 247 microscopes, 419 lentilles !
Pas de développement notoire au cours du XVIIIe siècle surtout à cause de la limitation de la qualité de l'image par les aberrations et il y avait tant à voir... et à dessiner...

Après Euler en 1774, de grands noms : Charles, Brewster, Amici, Fraunhofer, Chevalier, Wollaston s'intéressent à la question au XIXe siècle. On aboutit enfin aux premiers objectifs achromatiques et, surtout, Lister montre en 1829 qu'il ne suffit pas de grossir le champ, mais que la résolution croît avec l'augmentation de l'inclinaison des rayons lumineux que l'objectif reçoit de l'objet. À la notion de grandissement caractérisant l'objectif, s'ajoute donc celle d'ouverture numérique. Les aberrations de sphéricité doivent être prises en compte et Lister introduit les premiers doublets achromatiques stigmatiques. C'est dès 1837 que Ross corrige les défauts introduits par la lame recouvrant éventuellement l'objet.

Microscope optique vue externe

Des progrès dans la conception des objectifs, de nouvelles techniques permettant des différenciations dans l'image, tel le microscope polarisant dû à Talbot en 1834, l'amélioration des micromanipulations avec le microscope inversé par Chevalier en 1839 et Nachet en 1850, la chambre claire dès 1823, les premiers clichés photographiques en 1840... voilà quelques progrès importants.

Microscope optique de routine binoculaire. © Reproduction et utilisation interdites
Tourelle d'objectifs de microscope optique. © Reproduction et utilisation interdites

Le XIXe siècle va être un grand moment de découverte microscopique : la découverte de la cellule par Hooke, précisée par Purkinje en 1825, du noyau par Brown en 1831, de la reproduction cellulaire, du rôle du noyau, de la division cellulaire, de l'existence du protoplasma. La bactériologie, la parasitologie, l'histologie, la cytologie et d'autres sciences progressent et de grands noms en meublent l'histoire : Pasteur, Hansen, Koch, Yersin, Laveran. On assiste aussi à cette époque aux débuts prometteurs de la minéralogie par la découverte de la structure cristalline et l'examen microscopique des métaux contribuera au développement de la métallurgie.

Tous ces travaux créent de nouveaux besoins. En 1872, Abbe, chez Karl Zeiss, montre l'importance de l'éclairage et conçoit un condenseur. Le microscope se distingue alors des autres instruments d'optique, étant le seul à fournir des images à l'aide de la lumière diffracté recueillie par sa pupille. En 1886, Abbe introduit les objectifs apochromates corrigés du chromatisme pour trois longueurs d'onde. On s'oriente vers l'emploi de plus courtes longueurs d'onde et, en 1904, Köhler propose le premier microscope travaillant en ultraviolet. Ceci contribue au développement de la microscopie en fluorescence, par Reichert en 1908, puis Haitinger en 1911. Malgré ces progrès, certains objets ne sont pas encore visibles en microscopie optique. S'ils sont de taille inférieure à la limite de résolution de l'objectif le plus fort, on fait appel, dès 1903, à l'ultramicroscopie ou à l'éclairage fond noir. S'ils contiennent des constituants invisibles car sans variation d'absorption ou de réflexion, on met en œuvre les techniques interférentielles - Lebedev en 1930, Linnik en 1933 - aboutissant en 1952 avec Nomarski au contraste interférentiel, aussi riche en information que le contraste de phase, décrit par Zernike en 1934.

L'observation et ses limites

Même si on augmente le grossissement au-delà de 1.000, la qualité de l'observation ne s'améliore pas car on atteint alors la limite de résolution de l'instrument. L'obstacle est associé à la nature ondulatoire du rayonnement : il s'agit du phénomène de diffraction. L'image d'un point, donnée par une lentille parfaite et un rayonnement monochromatique de longueur d'onde λ, est une tache circulaire brillante entourée d'anneaux moins lumineux dont l'intensité décroît lorsque l'on s'écarte du centre : la tache d'Airy. Le pouvoir de résolution (ou pouvoir séparateur) mesure la distance transversale minimale entre deux points dont les taches de diffraction peuvent être séparées. Or, on sait que les lentilles de verre ne sont pas exemptes de défauts. Elles souffrent en particulier de chromatisme, c'est-à-dire qu'elles focalisent mieux les radiations de plus courte longueur d'onde, ce qui entraîne des effets d'irisation lors de l'utilisation de la lumière blanche. De plus, même pour une lumière monochromatique, la focalisation n'est pas parfaite. Par exemple, les rayons marginaux convergent davantage que les rayons passant près de l'axe de la lentille, ce qui est responsable d'effets connus sous le nom d'aberration sphérique. Il est aussi important de définir une résolution verticale, ou profondeur de champ. C'est la distance sur l'axe optique, pour laquelle la netteté des détails perçus reste acceptable. Cette épaisseur est d'autant plus faible que l'ouverture numérique est plus grande. Dans les meilleurs cas, elle est aussi de l'ordre d'une fraction de micromètre. D'où l'utilisation de l'électron comme source de rayonnement primaire.

Le microscope électronique : c'est à partir de la définition et de l'évaluation du pouvoir de résolution du microscope photonique que se justifie le recours à des faisceaux d'électrons pour franchir plusieurs ordres de grandeur. Le seul paramètre sur lequel il est possible de gagner le facteur de l'ordre de 1.000 requis, est la longueur d'onde de la radiation utilisée. Deux solutions envisageables : radiations X ou électrons.

Louis de Broglie attribue une longueur d'onde λ à un électron de masse m et de vitesse v, soit l = h/mv. Ceci n'est qu'une loi approchée non relativiste. Mais les électrons accélérés sous les tensions usuelles de fonctionnement d'un microscope électronique se propagent à une vitesse supérieure à 1/2c, qu'ils sont donc relativistes avec une masse 1,2 à 3 fois la masse au repos, que leur longueur d'onde est inférieure aux distances moyennes interatomiques : ils constituent donc un rayonnement adapté à l'exploration de la matière aux nanométriques.

Microscope électronique : schéma de fonctionnement

Construire un instrument d'optique électronique de conception semblable au microscope optique est envisageable : on sait que ces particules chargées subissent l'action des forces imposées par des champs électromagnétiques et que leurs trajectoires sont modifiées et contrôlées. Ce sont donc des lentilles électroniques. Par contre, un faisceau d'électrons impose des contraintes d'utilisation - à cause de leur pouvoir d'interaction avec la matière - ils ne se propagent librement que dans le vide (inférieur à un 10-9 Patm).
Le microscope électronique peut être à balayage dit MEB, à transmission dit MET... Et les progrès continuent naturellement !

Le télescope, voir plus loin… dans le ciel

Lunettes et télescopes sont avant tout des collecteurs de lumière qui vont reconstruire l'image d'une portion du ciel dans leur plan focal. Lunettes et télescopes sont des systèmes optiques qui forment dans le plan focal, une image stigmatique d'un objet situé à l'infini.

1. L'échelle de l'image

À un angle donné sur le ciel va correspondre une distance en millimètres sur l'image du plan focal, ce qui amène à définir un paramètre fondamental de la lunette et du télescope : l'échelle de l'image. La portion de sphère céleste dont l'instrument donne l'image au foyer aura pour rayon la focale de cet instrument. Ainsi un angle d'un radian aura pour image un arc de cercle dont la longueur sera la focale de la lunette ou du télescope.

Télescope 193 OHP, Observatoire de Haute provence. © Reproduction et utilisation interdites

Le télescope de 1m93, fabriqué par Grubb-Parsons (UK), a été installé entre fin 1957 (mécanique) et début 1958 (optique). Les premières observations datent du 17 Juillet 1958. (Voir site de l'OHP dans la bibliographie).

Télescope 193 OHP, schéma de fonctionnement. © Reproduction et utilisation interdites

2. L'ouverture du faisceau

Le deuxième paramètre est son ouverture, le diamètre du miroir du télescope ou de l'objectif pour une lunette. On lui associe l'ouverture du faisceau qui est égal au rapport f/D de la focale sur le diamètre. Plus ce rapport est petit, plus la lumière par unité de surface au foyer est grande.

Télescope grand public. © Reproduction et utilisation interdites

3. L'angle et le plan focal

Un autre paramètre est le champ disponible en pleine lumière. Ce champ est caractérisé en angle sur le ciel et en millimètres dans le plan focal.

Lunette de Galilée, Florence, 1609. © Reproduction et utilisation interdites

4. La résolution de l'image

Le dernier paramètre est son pouvoir de résolution ou résolution angulaire, c'est-à-dire la taille angulaire du plus petit objet mesurable. Par exemple, si deux points distants d'une seconde de degré sont les points les plus proches vus par la lunette ou le télescope comme deux points distincts dans le plan focal, alors le pouvoir de séparation de l'instrument est d'une seconde de degré.

Qu'est-ce qui limite ce pouvoir ? Pour l'expliquer il faut faire appel au phénomène de diffraction et à la tache d'Airy...

On constate que pour augmenter le pouvoir de résolution d'un instrument il suffit d'augmenter son diamètre. Cette résolution est cependant théorique car l'atmosphère la limite. Son agitation étale la tache d'Airy. On caractérise cette agitation par le « seeing » (turbulence) du ciel au moment de l'observation. Les meilleurs sites d'observation sont donc situés en haute montagne.

La lunette est l'instrument astronomique le plus ancien : il comporte un objectif formant l'image dans le plan focal. Cet objectif est formé de deux lentilles collées : une lentille convergente et une lentille divergente de façon à optimiser, pour une longueur d'onde définie, la concentration de lumière dans le plan focal. Les lunettes n'ont pas pu dépasser un diamètre d'un mètre pour des raisons techniques.

Le télescope (ou réflecteur) est composé de miroirs et fonctionne par réflexions : les images se forment toutes dans le même plan. On dit qu'il est achromatique. Un miroir nécessite seulement le travail d'une seule surface de verre alors qu'un objectif de lunette nécessite le travail de quatre surfaces. Il existe principalement deux types de montages optiques différents pour les télescopes pour le miroir secondaire qui renvoie l'image et modifie la focale de l'instrument. On peut trouver les deux montages dans le même instrument.

Télescope à montage Newton : le miroir primaire parabolique concave focalise les rayons lumineux au foyer de l'instrument, renvoyé en dehors du tube du télescope, sur le côté, grâce à un miroir plan. © Reproduction et utilisation interdites
Télescope à montage Cassegrain : l'objectif est constitué d'un miroir primaire parabolique concave et d'un miroir secondaire hyperbolique convexe. Il focalise les rayons lumineux au foyer de l'instrument, situé derrière le miroir primaire perçé d'un trou. © Reproduction et utilisation interdites

Les lunettes ont été supplantées par les télescopes pour les raisons suivantes :

  • l'achromaticité que nous avons abordée ci-dessus ;
  • dans un télescope, le verre, poli, ne sert de support qu'à une couche réfléchissante ;
  • une lunette est complètement aveugle dans l'infrarouge ;
  • on ne sait pas fabriquer des lentilles dont la focale soit du même ordre de grandeur que le diamètre. Mais on sait construire des télescopes dont les miroirs ont une focale voisine de leur diamètre. Ce sont des télescopes très ouverts : le faisceau de lumière qui converge au foyer, a un angle important. Plus cet angle est important, plus la quantité de lumière reçue au foyer est élevée, donc plus faibles seront - à temps de pose équivalent - les objets observables. Et en astronomie, voir des objets faibles, signifie souvent voir loin...
Mont Wilson 2,5m, premier télescope moderne, 1917. © Reproduction et utilisation interdites

Les télescopes doivent :

  • pointer un objet céleste avec une précision de la minute de degré ;
  • avoir une très grande stabilité : déplacements plus petits que le 1/10 de seconde de degré ;
  • suivre les objets célestes : compenser le mouvement apparent dû à la rotation de la Terre.

Pour pouvoir pointer un corps céleste, le télescope doit avoir deux degrés de liberté, l'un autour d'un axe parallèle à l'axe de rotation de la Terre et l'autre de part et d'autre du plan équatorial perpendiculaire à cet axe. Ainsi, le télescope pointera en angle horaire et en déclinaison.

  • Le télescope spatial : Hubble Space Telescope (HST) ou la capacité à s'affranchir totalement de la présence de l'atmosphère. Ici, on tire bénéfice de cette situation à trois niveaux. Pas de turbulence, donc pouvoir de résolution égal au pouvoir théorique. Pas d'atmosphère, donc pas de rayonnement parasite en infrarouge. Et encore, pas d'atmosphère, donc pas d'extinction atmosphérique. La notion d'observation au méridien n'a plus de sens ici. Une observation peut durer aussi longtemps qu'il le faut. D'un même endroit, on ait accès à tout le ciel, à toute époque de l'année. L'apesanteur permet également de s'affranchir de nombreux ennuis secondaires, tels les déformations des structures métalliques qui limitent les performances des très grands instruments. Un vide parfait a de nombreux avantages vis-à-vis des problèmes d'oxydation des composants de toute nature. Les équipements ont une espérance de vie très grande.
Hubble. © Reproduction et utilisation interdites

Mais il y a aussi de graves reproches : le coût d'un tel instrument. Le manque de souplesse d'utilisation. Pour les observations « à la limite » ou nécessitant des décisions « sur le tas », rien ne remplace la présence d'une personne. À de telles circonstances, le télescope spatial est mal adapté. Enfin, ce ne sera jamais un télescope à tout faire. Combien de travaux importants et ne nécessitant pas de grands moyens d'observation seraient sacrifiés sans les télescopes au sol.

  • Les télescopes géants terrestres : en 1993, l'ESO décide de construire quatre télescopes géants de 8 mètres de diamètre, Very large telescope (VLT) : pour cela, un nouveau site est choisi, celui du Paranal près d'Antofagasta dans les Andes du Chili où le climat est particulièrement favorable aux observations astronomiques.
Quatre télescopes de 8 mètres de diamètre : Antu, Kueyen, Melipal et Yepun ont été mis en service, respectivement en 1998, 1999, 2000 et 2001. Paranal, Chili VLT. © Reproduction et utilisation interdites
  • Une immense aventure : (d'après un document recherche Européenne 02.10.2001). Au début des années 1980, des expéditions d'astronomes, parfois accompagnés de mulets portant leurs instruments, s'en allèrent mesurer la qualité de réception lumineuse au sommet de différentes montagnes du désert d'Atacama. Ces minutieux repérages visaient à déterminer un site optimal pour l'installation du nouvel observatoire. Après huit ans de surveillance météorologique intense sur site, le Mont Paranal, culminant à 2.600 mètres dans la partie côtière centrale de l'Atacama, à 700 km au nord de la Silla, fut choisi. Les travaux de construction démarrèrent en 1991. Dans cet environnement montagneux et désertique, ils débutèrent par l'ouverture d'une route... ce ne fut que le début des prouesses technologiques.
Transport de miroirs dans le désert d'Atacama. © Reproduction et utilisation interdites

Pour réaliser les miroirs de 8,2 m de diamètre, il a fallu minimiser l'épaisseur du verre, pour en réduire le poids. C'est à la société allemande Schott que l'ESO doit la fabrication des miroirs de la finesse requise et dotés d'un coefficient de dilatation minimal, et à la société française Sagem les opérations de polissage et de doucissage. Menées à l'échelle du micromètre, dans une usine spécialement construite à cet effet, celles-ci ont été effectuées par des robots entièrement conçus pour cet usinage hyper-minutieux, représentant 10 mois de travail par miroir. Les ingénieurs de l'ESO ont mis en œuvre une technique innovante : un système de vérins agit sur l'arrière du miroir de manière à compenser en temps réel les déformations.

Un prouesse technologique au niveau des transport aussi. Ici, transport de miroirs Paranal. © Reproduction et utilisation interdites

L'observatoire de Paranal utilise, en outre, le concept innovant d'optique adaptative. Le grand handicap des télescopes terrestres, qui justifie le soin apporté à l'emplacement, est que les faisceaux de photons subissent des perturbations susceptibles de parasiter les images. Ce défaut est compensé par de petits actionneurs piézo-électriques programmant de minuscules déformations de quelques millièmes de millimètres de la surface de miroirs récepteurs secondaires. Ce qui permet de « redresser » les images...

ELT, projet européen, télescope de 50 mètres. © Reproduction et utilisation interdites