Lunette astronomique
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La grande lunette de l'Observatoire de Nice.
La grande lunette de l'Observatoire de Nice.

Une lunette astronomique est un instrument optique qui permet d'augmenter la taille apparente et la luminosité des objets du ciel lors de leur observation.

Équipée d'un redresseur (Un redresseur, également appelé convertisseur alternatif - continu (rectifier en anglais), est un convertisseur destiné à alimenter une charge de type continu, qu'elle soit inductive ou...) d'image (véhicule ou prisme) elle se comporte alors en lunette d'approche : on la nomme lunette terrestre ou longue-vue marine.

Historique

Son invention est anonyme et viendrait d'Italie (vers 1590) ou du nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire comme...) (Pays-Bas, vers 1608). Descartes parle de cette invention au début de sa Dioptrique :

Mais, à la honte de nos sciences, cette invention, si utile et si admirable, n'a premièrement été trouvée que par l'expérience et la fortune. Il y a environ trente ans, qu'un nommé Jacques Metius, de la ville d'Alcmar en Hollande, homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme prépubère est appelé un...) qui n'avait jamais étudié, bien qu'il eût un père et un frère qui ont fait profession des mathématiques (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les mathématiques...), mais qui prenait particulièrement plaisir à faire des miroirs et verres brûlants, en composant même l'hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) avec de la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.), ainsi que l'expérience a montré qu'on en peut faire, ayant à cette occasion plusieurs verres de diverses formes, s'avisa par bonheur de regarder au travers de deux, dont l'un était un peu plus épais au milieu qu'aux extrémités, et l'autre au contraire beaucoup plus épais aux extrémités qu'au milieu, et il les appliqua si heureusement aux deux bouts d'un tuyau, que la première des lunettes dont nous parlons, en fut composée.

L'invention de la lunette d'approche est difficile à attribuer, car plusieurs personnes cherchèrent à en obtenir le brevet : Hans Lippershey, qui fit une démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées...) d'une lunette d'approche de grossissement trois à la fin septembre 1608, Jacques Metius et Sacharias Janssen.

Dès que la lunette d'approche fut connue et commença à se répandre, plusieurs personnes, dont Thomas Harriot, la tournèrent vers le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) au début de 1609 pour observer les objets célestes. Mais c'est Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du XVIIe siècle, célèbre pour avoir jeté les fondements des sciences...) qui, à partir d'août 1609 établit véritablement la lunette d'approche comme instrument d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) astronomique par l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) de ses observations célestes et surtout par le regard neuf qu'il portait sur le ciel et les objets qu'il observait : il s'étonnait des phénomènes qu'il voyait et il les étudiait. Il construisait ses propres lunettes et leur donna d'abord un grossissement de six au lieu de trois, pour le porter progressivement à 20 puis à 30.

Composition

Une lunette est composée d'un objectif et d'un oculaire (Un oculaire est un système optique complémentaire de l'objectif. Il est utilisé dans les instruments tels que les microscopes ou les...) disposés de part et d'autre d'un tube fermé. Le tube peut être fixe ou télescopique comme dans le cas des longues-vues de marine. L'oculaire se situe, comme l'indique son nom, du côté de l'œil, et il est de petite dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...). L'objectif se situe de l'autre côté, et est généralement de plus grande dimension que l'oculaire.

Ces premières lunettes d'approche, terrestre ou astronomique, ont possédé un objectif convexe (En géométrie, un objet est convexe si pour toute paire de points { A , B } de cet objet, le segment [AB] qui les joint est entièrement contenu dans l'objet. Par exemple, un cube plein, un...) et un oculaire concave (voir description de René Descartes plus haut) dû au principe de hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.) de leur invention par des lunetiers. Les plus récentes (voir description plus bas) possèdent objectif et oculaire convexes. Malgré l'Histoire, les deux systèmes conservent chacun leurs avantages :

  • oculaire concave : image droite permettant l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) en longue-vue terrestre et raccourcissement de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement développé.) du tube par rapport à la focale de l'objectif. L'assemblage de deux petites de ces lunettes crée l'appareil dit jumelles de Galilée (usage au théâtre vu les faibles performances).
  • oculaire convexe : retournement de l'image (haut et bas) et allongement par rapport à la longueur de la focale de l'objectif. L'usage en lunette astronomique (Une lunette astronomique est un instrument optique qui permet d'augmenter la taille apparente et la luminosité des objets du ciel lors de leur observation.) n'est pas gênée par ces conséquences (ni haut ni bas dans le ciel, monture mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) pour supporter le système). Par contre, l'usage marin ou terrestre a imposé un tube télescopique et un système optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de redressement de l'image, dit véhicule composé d'un doublet ou d'un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) pair de prismes (qui plient, raccourcissent l'encombrement) dans le cas de la lunette à prismes ou des jumelles dite de marine.

On peut faire une lunette simple avec deux loupes. Une grande, à foyer assez lointain servant d'objectif, et une petite, à foyer rapproché servant d'oculaire. En effet, l'objectif et l'oculaire sont deux systèmes optiques convergents, c'est-à-dire qu'ils concentrent (focalisent) les rayons lumineux, à la manière d'une loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant d'obtenir d'un objet une image agrandie. La loupe est la...). Ces deux systèmes convergents ont comme caractéristiques principales le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une valeur...) et la distance focale (Les distances focales, respectivement objet et image, d'un système optique centré convergent ou divergent sont, par définition, les distances algébriques séparant...). La distance focale est la distance entre le centre du système optique convergent ( en astronautique, convergent en mathématiques, suite convergente série convergente ) (par exemple le centre de la lentille d'une loupe) et le foyer (le point (Graphie) où des rayons lumineux provenant de l'infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de...) convergent).

Schéma d'une lunette astronomique à tube télescopique
Schéma d'une lunette astronomique à tube télescopique

Les lunettes modernes ont toutes des objectifs et des oculaires composés de plusieurs lentilles. En effet, une lentille simple n'a une qualité acceptable que sous certaines conditions. On peut corriger ou diminuer certains défauts en appariant plusieurs lentilles ayant des verres d'indice différent, on créé ainsi des doublets (achromatiques) ou des triplets (apochromatiques) qui sont exempts de défauts sur des plages plus grandes.

Le grossissement de la lunette est donné par : G=\frac{\alpha'}{\alpha}α' est l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) sous lequel on voit l'image finale au travers de la lunette et α est l'angle sous lequel on voit l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné...) à l'œil nu. Étant donné que nous observons des objets célestes, on peut considérer que les angles sont petits et ainsi, comme on a (pour de petits angles) :

tan\alpha \simeq sin\alpha \simeq \alpha (rad)

Alors, le grossissement de la lunette est calculé en divisant la distance focale de l'objectif par celle de l'oculaire.

Lunette astronomique afocale

Principe optique d'une lunette astronomique afocale ; par rapport à l'œil nu (en haut), la lunette collecte plus de lumière et amplifie l'angle d'incidence sur l'œil, l'objet est donc plus grand et plus lumineux
Principe optique d'une lunette astronomique afocale ; par rapport à l'œil nu (en haut), la lunette collecte plus de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) et amplifie l'angle d'incidence sur l'œil, l'objet est donc plus grand et plus lumineux

Une lunette astronomique est dite afocale lorsque le foyer image de l'objectif est à la même position que le foyer objet de l'oculaire. L'objet observé se trouvant à l’infini son image se trouve dans le plan focal image de l'objectif. Hors le plan focal image de l'objectif est aussi le plan focal objet de l'oculaire, l'image fournie par celui-ci se trouve à l'infini. L'œil humain étant fait pour observer un objet situé à l'infini, il n'accommode pas lorsqu'il observe une image à travers une lunette astronomique afocale.

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