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Histoire du télescope, de Newton à nos jours : comment l’humanité a appris à observer le cosmos

19/08/2016 | Marcus Dupont-Besnard

Histoire des sciences • L’astronomie n’aurait pas pu contribuer à élargir les frontières de la connaissance scientifique sans l’élaboration d’un outil dont l’existence paraît aujourd’hui presque banale, mais pourtant qui est si merveilleux : le télescope. Grâce à cet instrument, il est possible d’augmenter la taille et la luminosité d’objets lointains, de détecter par ce biais des objets célestes invisibles à l’œil nu, et de les analyser. Sans l’observation du ciel au télescope, nous n’aurions peut-être jamais pris conscience que nous habitons un cosmos aussi ancien, immense et complexe. Plus fantastique encore, en observant le ciel de plus en plus loin, nous remontons le temps, dressant ainsi une histoire de l’Univers.

Le rôle du télescope dans les découvertes scientifiques en astronomie est donc capital. Cet article dresse un historique à la fois synthétique et complet, afin de retracer les grandes étapes et les apports essentiels de cet instrument qui a révolutionné notre conception du monde.

La lunette astronomique : les premiers pas du XVIIe siècle, avec Galilée et Newton

La première étape de l’Histoire du télescope correspond à ce moment où l’optique a rejoint l’observation des étoiles. En 1608, l’opticien hollandais Hans Lippershey développe une longue vue, qui permet de mieux voir des objets éloignés. Le problème est que le grossissement opéré alors déforme sensiblement les objets. L’année suivante, Galilée prend connaissance de cette invention, et entreprend de l’améliorer afin de la tourner vers les étoiles.

Les lunettes astronomiques de Galilée ne sont pas toutes d’une grande qualité, l’image est encore assez déformée, mais ces lunettes sont les plus puissantes de l’époque, grossissant les objets célestes jusqu’à 30 fois.

Lunettes astronomiques de Galilée, à l'Istituto e Museo di Storia della Scienza (Florence).
Lunettes astronomiques de Galilée, à l’Istituto e Museo di Storia della Scienza (Florence).

La précision de son instrument lui permettra d’étudier en détails le ciel. L’étude des cratères de la lune fait partie de ses principales recherches, et c’est également Galilée qui fera la découverte des fameuses lunes de Jupiter, nommées maintenant « lunes galiléennes ». Il recensa aussi de nombreuses étoiles invisibles à l’œil nu. En 1610, très rapidement après son invention, il publie Le Messager des étoiles, un ouvrage qui le rendra mondialement célèbre, où il rassemble toutes ses observations dues à la lunette astronomique.

Un autre grand nom des sciences va venir, seulement quelques décennies après, perfectionner ce nouvel outil : Isaac Newton. C’est grâce à lui, à partir de 1671, que l’on bascule réellement de la lunette astronomique au télescope, via un rajout qui n’est pas des moindres. En effet, le problème de la lunette astronomique est que la lumière passe par une lentille : pour augmenter le grossissement, il faut augmenter l’épaisseur de la lentille, ce qui – en plus de coûter très cher – implique une absorption d’une partie de la lumière par le verre, venant amoindrir considérablement la précision d’image.

Newton va alors remplacer la lentille par un miroir concave, élaborant alors la technique du « réflecteur ». Grâce à cette nouveauté, la qualité de l’observation est accrue, bien plus fidèle.

Le modèle de télescope façon Newton.
Le modèle de télescope façon Newton.

L’astronome écossais James Gregory avait déjà proposé quelques années auparavant l’utilisation de miroirs pour refléter les objets observés ; le rôle de Newton a surtout été de mettre en application de façon optimale cette idée. L’invention du réflecteur est ce qui a permis de construire des télescopes de plus en plus grands et précis. La plupart des télescopes actuels sont toujours basés sur cette technique vieille de presque quatre siècles !

XVIIIe et XIXe siècles : toujours plus précis et massif

Grâce au télescope, l’astronomie connaît un essor dans les siècles qui suivront, l’observation du ciel se transforme en véritable profession à plein temps, et le nombre d’objets célestes découverts s’accroît. Par exemple, en 1781, l’astronome William Herschel découvre Uranus : c’est la première fois qu’une planète est recensée depuis l’Antiquité !

Le télescope est régulièrement amélioré par de petits aménagements, et il grossit en taille. Cette effervescence est une sorte d’enchainement logique : plus on découvre d’objets célestes, plus on a besoin autant qu’envie de voir loin et mieux pour les comprendre et en découvrir d’autres. A ce titre, on peut citer de nouveau Herschel : il a activement participé à l’amélioration de l’instrument. Suite à sa découverte d’Uranus, il obtient le soutien du roi Georges III, suite à quoi il a donc suffisamment de fonds pour se consacrer à la construction de télescopes. C’est ainsi qu’en 1789 va aboutir ce qui perdurera comme le plus gros télescope du monde pendant cinquante ans. Le miroir de cet instrument mesurait 1,22 mètre de diamètre, et le tube 12 mètres de long, le tout installé sur un plateau circulaire pourvu de poulies.

Dessin du télescope d'Herschel, provenant de ses ouvrages personnels.
Dessin du télescope d’Herschel, provenant de ses ouvrages personnels.

Impossible de pas citer ce titan qui détrônera le télescope d’Herschel : le léviathan de Parsonstown. Conçu par l’irlandais William Parsons, il devient dans les années 1860 le plus grand télescope du monde jusqu’au XXe siècle. Mais si celui de Herschel avait beau être massif sans être d’une grande qualité d’image, celui de Parsons a aussi l’avantage d’une haute performance.

Le léviathan de Parsonstown
Le léviathan de Parsonstown

Il faut bien saisir que l’invention du télescope ayant permis l’observation profonde du cosmos, cela a aussi entraîné une prise de conscience du caractère vaste et immense de l’Univers. C’est notamment à cette époque d’effervescence que sont les XVIIIe et XIXe siècles, que l’on découvre les galaxies, mais sans comprendre qu’elles sont ce que l’on conçoit aujourd’hui par « galaxies ». Les astronomes les confondent en effet avec des nébuleuses internes à notre propre galaxie (tout objet céleste « diffus » était appelé nébuleuse). Comme nous allons le voir, il faudra attendre le XXe siècle, et un nouveau bond dans l’Histoire du télescope, pour comprendre que ces galaxies sont bel et bien situées en dehors de la Voie lactée, et que l’Univers est composé d’un nombre incommensurable de ces galaxies.

Le début du XXe siècle : les observations d’Edwin Hubble au Mont Wilson

L’Observatoire du Mont Wilson, installé en altitude à Los Angeles, est l’endroit qui a permis certaines des plus grandes avancées de l’astronomie moderne. La construction de ce télescope a été rendue possible grâce à George Ellery Hale, un astronome américain qui s’est battu sans relâche à l’aube du XXe siècle pour l’aboutissement du projet : entre les fonds colossaux à réunir, la difficulté à monter le matériel jusqu’en haut du Mont Wilson, et le tremblement de Terre de 1906 qui a bien faillit réduire la structure en poussières, ce n’était pas gagné ! Pourtant, ce nouveau télescope va entrer en service dès 1908. Il mesurait alors 1,5 mètre de diamètre : le plus grand du monde à ce moment-là.

Mais vous avez peut-être commencé à le comprendre : tous ces records en terme de dimensions ne tiennent jamais très longtemps ! Hale décide de voir plus grand quasi immédiatement. Il s’associe à John D. Hooker, dans la réalisation d’un télescope de 2,5 mètres de diamètre. Cette nouvelle mouture entre en service en 1917.

En plus de son gigantisme, l’instrument du Mont Wilson a l’avantage de disposer de technologies avancées : un interféromètre, mais aussi des plaques d’astrophotographie.

Le télescope Hooker installé sur le Mont Wilson.
Le télescope Hooker installé sur le Mont Wilson.

L’arrivée à son bord d’un célèbre astronome va permettre une avancée prodigieuse. Cet astronome, c’est bien évidemment Edwin Hubble. Après quatre années à explorer le cosmos par la lorgnette du télescope du Mont Wilson, Hubble fait en 1923 une observation intrigante : une étoile à la luminosité étrangement variable. Ce n’était qu’un petit point, mais qui était porteur de grandeur. Cette étoile était située dans la galaxie d’Andromède. Hubble, grâce à ses calculs basés sur la luminosité des astres, déduit qu’Andromède ne peut mathématiquement pas se situer dans la Voie Lactée. C’est donc une autre galaxie, bien éloignée de la nôtre. Voilà une conclusion qui va bouleverser l’astronomie, et qui mettra fin au fameux débat sur la nature des galaxies.

La révolution ira plus loin encore, car Hubble va aussi, toujours à travers ses observations au Mont Wilson, établir que l’Univers est en expansion, et qu’il y a donc une origine de tout, un Big Bang.

Edwin Hubble utilisant le télescope Hooker du Mont Wilson
Edwin Hubble utilisant le télescope Hooker du Mont Wilson

C’est grâce à la capacité de profondeur de champ de ce nouveau télescope que Hubble a pu effectuer ses calculs, et ainsi déterminer l’existence d’une pluralité de galaxies et dépoussiérer de grandes pistes sur l’histoire de l’Univers. Décidément, plus nous pouvons voir loin dans le cosmos via ce formidable instrument, plus l’Humanité prend conscience de l’immensité dans laquelle notre planète et notre galaxie prennent place !

« The Big Eye » du Mont Palomar

Si avec un télescope de 2,5 mètres de diamètre il était possible de révolutionner à ce point l’astronomie, alors imaginez avec un télescope de 5 mètres ! Là encore, c’est à George Ellery Hale et son apparente ténacité pour ce genre de défis que l’on doit la construction de ce géant. C’est sur le Mont Palomar, à San Diego, que ce télescope a pris place en 1948, après 20 ans de construction – une lenteur notamment causée par une pause durant la Seconde guerre mondiale.

Une fois terminé, le télescope fut surnommé « The Big Eye » (le gros oeil).

La construction du dôme du Mont Palomar.
La construction du dôme du Mont Palomar.

Notons que le tout pèse 400 tonnes, et le tube d’observation est long de 17 mètres. Hale ne verra malheureusement jamais l’aboutissement de ce projet, il décède en 1938, dix ans avant. L’observatoire prendra, en son hommage, le nom de « télescope Hale ».

Une nouvelle ère : le télescope spatial

Il y a un défaut auquel aucun télescope classique ne peut échapper : l’atmosphère terrestre ! Oui, cet élément si essentiel à la vie sur Terre est un cauchemar pour les astronomes, car cela déforme en partie l’image. Pour corriger le problème, on développe dans les années 50 une technique d’optique adaptative, grâce à laquelle on obtient en temps réel une image plus nette.

Mais même avec les corrections, une observation à travers l’atmosphère reste limitée. Envoyer le télescope en dehors de l’atmosphère terrestre, dans l’espace, est alors vite apparu comme une solution idéale. C’est justement le principe d’un nouveau type d’instruments, qui va naitre à la fin du XXe siècle : le télescope spatial. L’idée a été pour la première fois avancée dans un article scientifique écrit en 1948 par l’astrophysicien Lyman Spitzer. Ce n’est pourtant qu’à partir des années 60 que plusieurs petits observatoires spatiaux sont mis en place. Quelques échecs sont à dénombrer, mais certains télescopes comme OAO-2 et Copernicus vont permettre de récolter quelques précieuses données sur les étoiles, galaxies et planètes.

Le premier télescope spatial d’une réelle envergure s’avère être aussi le plus connu dans la culture populaire : le télescope Hubble. En 1990, après vingt ans d’études et de construction, ainsi que 2 milliards de dollars dépensés, le télescope Hubble est lancé et mis en orbite.

Hubble en orbite.
Hubble en orbite.

Tout cela ne s’est pas déroulé sans une petite frayeur : à la réception des premières photos prises par le télescope, l’image est floue, à cause d’une aberration optique. Le problème provenait d’une erreur de 2 microns (0,002 millimètres !) dans la conception du miroir réflecteur. Cela aurait pu être la fin prématurée de ce beau projet, mais heureusement, dès 1993, lors d’une mission de maintenance, un dispositif correcteur est installé.

L'image avant correction (gauche), et après correction (droite).
L’image avant correction (gauche), et après correction (droite).

Comme vous pouvez le voir ci-dessus, la réparation a été efficace, les images qui nous parviendront seront sublimes et, qui plus est, contribueront plus que jamais à parfaire nos connaissances sur l’immensité cosmique. Grâce au télescope Hubble, les astronomes contemporains ont pu observer les étoiles présentes dans d’autres galaxies, nous en apprenant alors beaucoup sur le cycle vie/mort des étoiles ; nous avons pu confirmer l’existence des trous noirs, notamment pour ceux présents au centre des galaxies ; sans oublier que nous avons pu faire les premières évaluations de l’âge de l’Univers.

L’une des images prises par Hubble ayant le plus marqué l’astronomie, c’est le fameux « champ profond ». Pour l’obtenir, le NASA a simplement pointé l’objectif du télescope vers une petite zone en apparence noire et vide, et ne couvrant qu’un trente-millionième du ciel. On y découvre alors des milliers de galaxies. Plus que jamais, les astronomes prenaient conscience de la taille de l’Univers et du nombre d’objets célestes y existant.

Champ profond de Hubble. (image composite sur 10 jours d'observation)
Champ profond de Hubble. (image composite sur 10 jours d’observation)

La mésaventure de l’aberration optique du télescope Hubble est en tout cas parlante quant à la précision de plus en plus sensible de cet instrument qui, il y a quelques siècles, n’était composé que de deux lentilles.

Le développement des télescopes spatiaux jusqu’à « JWST »

Depuis Hubble – qui devrait vivre quelques années encore, d’autres télescopes spatiaux ont été envoyés dans le ciel.

Nous pouvons par exemple relever qu’en 2009, trois nouveaux télescopes aux performances accrues et aux missions assez spécifiques ont été lancés. Le télescope Kepler a contribué à la découverte de nombreuses exoplanètes. Pour l’étude de la vie des galaxies et des étoiles, ainsi que de l’Univers froid et ses fameuses « pouponnières d’étoiles », c’est le télescope Herschel qui s’en est chargé. Enfin, nous citerons aussi le télescope Planck, dont la mission était d’étudier le fond diffus cosmologique de l’Univers (aussi appelé rayonnement fossile), pour remonter ainsi dans les premières périodes de l’Univers.

Le rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence détecté le télescope Planck.
Le rayonnement de fond cosmologique hyperfréquence détecté le télescope Planck.

Souvenez-vous ce que nous disions en introduction d’article : les télescopes remontent le temps. Si vous êtes intéressés par l’astronomie, c’est sûrement l’un des premiers détails vous ayant émerveillé : plus on regarde loin dans l’Univers, plus on regarde dans un passé lointain, du fait de la vitesse de la lumière. Ainsi, quand on regarde le soleil depuis la Terre, on le regarde tel qu’il était il y a ~8 minutes. Plus un télescope pourra regarder des objets lointains, plus on pourra remonter aux origines de l’Univers.

Il y a cela dit une barrière dans l’observation de l’Univers primordial : sa lumière n’est perceptible que dans la gamme des infrarouges. Hubble n’était pas équipé d’outils capables d’offrir une vision d’un tel spectre.

En revanche le James Webb Space Telescope (JWST), son remplaçant, en sera équipé. Il est d’ailleurs le plus innovant et le plus complexe des télescopes en cours de construction, dont le lancement est prévu pour 2018.

Les télescope spatial James Webb (JWST) en image de synthèse.
Les télescope spatial James Webb (JWST) en image de synthèse.

Le « JSWST » sera 100 fois plus puissant que Hubble, percevant 70% de lumière supplémentaire, et pouvant aussi analyser l’atmosphère des exoplanètes. En bref, le télescope James Webb constitue une fois encore une nouvelle génération de télescopes, qui permettra de percevoir encore plus d’objets célestes, de les analyser avec plus de précision, et de voyager comme jamais dans le passé du cosmos. L’une de ses plus importantes missions sera donc d’observer les premières traces de galaxies et d’étoiles apparues après le Big Bang ; mais évidemment une grande place est faite à l’étude des exoplanètes.

Même au sol, les nouvelles générations de télescopes démultiplient la puissance de l’observation du cosmos, à l’image du « Très Grand Télescope » (VLT). Ce dernier est composé de quatre télescopes principaux et quatre autres auxiliaires, qui fonctionnant ensemble permettent une précision 25 fois supérieure à celle de chaque télescope fonctionnant seul. Les détails sont tels, qu’il serait théoriquement possible « de distinguer les deux phares d’une voiture située sur la Lune ».

Mais à ce stade, nous ne sommes plus vraiment dans l’Histoire du télescope, plutôt dans son actualité, et même son futur. C’est donc une autre aventure qui, étant donné la rapidité avec laquelle cet instrument évolue et tout ce qu’il nous a déjà apporté, révolutionnera sans doute une nouvelle fois notre perception de l’Univers.

2 commentaires

  1. Je ne savais pas que Newton était encore vivant en 1971, quelle longévité exceptionnelle ;)! Une petite coquille à corriger au début de la partie du texte le concernant 🙂 !

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Reporter, chroniqueur scientifique et littéraire. Étudiant en science politique et en histoire. Présentateur de "Eurêka" sur Radio Laser, émission dédiée aux livres de littérature de l'imaginaire, de vulgarisation scientifique et de récit de voyage. Passionné par la vulgarisation et la SF.