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Choisir son instrument d'astronomie Caractéristiques optiques de base, les jumelles, lunettes et télescopes

Le choix d'un instrument optique est toujours une chose délicate pour le novice ou le débutant. L'opération est d'autant plus malaisée qu'il n'a aucun point de repère, aucune expérience... Quel instrument vais-je choisir ? La question est très fréquente : Il suffit de parcourir les nombreux forums pour s'en apercevoir !
De plus, le novice est souvent dominé par le mythe épouvantable selon lequel il faut avoir une connaissance pointilleuse des formules mathématiques et des théorèmes régissant la physique optique, ce qui augmente son appréhension pour franchir le pas.
Or, de toute cette complexité relative, il n'en est rien ! Seules quelques formules élémentaires, qui se réalisent sur la plus modeste des calculettes suffisent !


Caractéristiques optiques de base
Le diamètre de l'instrument
Il s'agit du diamètre des deux objectifs d'une paire de jumelles, du diamètre de l'objectif de la lunette ou du diamètre du miroir primaire du télescope. C'est ce dernier qui conditionne la quantité de lumière collectée par l'instrument et donc, par voie de conséquence, son rendement. Le diamètre de l'instrument a donc une grande influence sur les résultats pouvant être obtenus en visuel ou sur un support photographique.
Le distance focale de l'instrument
Il s'agit de la distance (en mm) qui sépare le centre de la lentille ou de la surface du miroir et le Foyer image. Il est le point de convergence des rayons lumineux et peut également s'appeler, point de netteté. C'est sur le Foyer image qu'il faut placer la pellicule ou le capteur CCD pour obtenir une image nette. La distance focale est dépendante du grossissement et son allongement signifie des grossissements théoriquement plus grands. Bien sûr, cet allongement a ses limites.

Focale (exprimée en mm)

Application

Focale jusqu'à 600 mm

Imagerie grand champ, ciel profond, lunettes lumineuses et courtes destinées à l'imagerie stellaire.

Focale comprise en 600 et 2000 mm

Focales polyvalentes.

Focale supérieure à 2000 mm

Imagerie planétaire spécialisée et dédoublement des étoiles doubles.
Le rapport F/D de l'instrument
Il s'agit du rapport entre le diamètre et la distance focale de l'instrument. Ce rapport détermine l'ouverture de l'instrument et donc à fortiori son usage en astronomie. Un rapport F/D faible prédispose un instrument à être un grand collecteur de lumière et donc doit être réservé aux objets très faibles (ciel profond). En revanche, un rapport F/D important, au contraire, prédispose l'instrument aux forts agrandissements nécessaires en imagerie planétaire.

Rapport F/D

Application

Inférieur à 6

 Imagerie grand champ, ciel profond.

 6 à 10

 Rapport polyvalent.

 Supérieur à 10

 Dédoublement des étoiles doubles.

Lunettes et télescopes à très longues focales destinées à l'imagerie planétaire.
Le pouvoir séparateur de l'instrument
Il s'agit de l'aptitude à discerner de fins détails sur une surface. Elle s'exprime en seconde d'arc. C'est avant tout une valeur théorique, qui doit être mise en relation avec la turbulence atmosphérique (voir Turbulence et mise au point). Le pouvoir séparateur varie avec le diamètre de l'instrument et globalement, il faut retenir qu'un télescope de 200 mm permet de percevoir des détails plus fins qu'un même télescope de seulement 115 mm de diamètre.
Le grossissement de l'instrument

Dans le cas d'une paire de jumelles ou d'une longue vue, le grossissement est en général constant et ne peut être modifié.

Cela découle vers une notation normalisée qui est uniquement employée pour ce genre d'instruments (7x50, 12x80... ).
Le premier chiffre est celui du grossissement et le second celui de l'ouverture des deux objectifs. Dans le cas d'une lunette et d'un télescope destinés à des emplois astronomiques, on peut faire varier le grossissement par le biais du choix des oculaires et de leur focale. Ce grossissement se détermine simplement par le rapport de la distance focale de l'instrument et de la focale de l'oculaire employé :

Focale de l'instrument / focale de l'oculaire = Grossissement

Ainsi, par exemple, une lunette astronomique de 600 mm de focale, utilisée avec un oculaire de 10 mm, fournit un grossissement de : 600/10 = 60 x.
Toutefois, même si les grossissements très forts sont possibles, il faut rester raisonnable. Tout instrument a ses limites. Le grossissement limite est obtenu en multipliant le diamètre de celui-ci par 2. Ainsi, une lunette de 60 mm d'ouverture est limitée à un grossissement maxi de 120 x ; Tandis qu'un instrument de 200 mm peut atteindre les 400 x. Au delà, l'image devient floue, empâtée et sans contraste.


Les jumelles

Instrument aisément transportable et pouvant constituer un excellent outil pour débuter, les jumelles sont de précieux accessoires pour étudier le ciel et effectuer des repérages. Employées en recherche et observation cométaire, les jumelles sont des instruments à très grand champ et très lumineux. Leur vision binoculaire permet des observations très longues, avec un confort optimum.

Il existe deux systèmes de montage des prismes :

  • Le système fiable et simple à monter de l'Italien Ignazio Porro datant du XIXème siècle comme ma propre paire de jumelles 7x50
  • Le système de fabrication et de montage très délicat dit "en toit" qui permet une meilleure transmission lumineuse et linéaire.

Deux paramètres supplémentaires rentrent en ligne de compte avec des jumelles :

  • Le champ couvert en degrés d'arc
  • La pupille de sortie
Le champ couvert en degrés d'arc

Mentionné sur le plateau des jumelles, il est exprimé en mètres soit en degrés.

En général, les paires de jumelles présentent un champ inférieur à 64 (grossissement x degrés). Si ce rapport de 64 est franchit, on parle de jumelles grand champ. A savoir que 1° = 17,4 m. Des jumelles 10x50 de 7° d'ouverture optique (10 x 7 = 70) sont par exemple l'exemple parfait de jumelles grand champ.

La pupille de sortie

Elle est le rapport du diamètre des objectifs divisé par le grossissement.
La pupille de sortie est la grandeur de l'image au niveau de la lentille externe de l'oculaire. L'idéal est que ce diamètre soit le plus proche de l'iris de l'oeil (environ 7 mm). La 7x50, par exemple, parfaitement adaptée à l'observation astronomique possède une pupille de sortie d'environ 7,15 mm.

50/7 = 7,15 mm


Les lunettes

Instrument d'optique le plus ancien, la lunette est également l'instrument de base de l'astronome amateur.

Il en existe de nombreuses variétés, des plus répandues aux plus spécialisées, en fonction de leur application dans l'astronomie. Les longues-vues, au grossissement unique et constant, font parties intégrantes du registre des lunettes. Composée d'un objectif plus ou moins complexe, que ce soit dans le choix du matériau ou dans le nombre de lentilles, la lunette astronomique, également nommée télescope réfracteur, est couramment dotée d'un objectif à deux lentilles accolées : une lentille biconvexe en crown et une lentille en flint présentant une face concave et l'autre très légèrement convexe. Cette composition permet de corriger l'objectif des aberrations chromatiques, dont étaient affectées les lunettes aux débuts de l'ère de l'optique.

Durant les deux dernières décennies, des progrès dans l'optique sont survenus. On a vu alors débarquer de nouvelles lunettes dotées d'objectifs en fluorite, composés de 3 ou 4 lentilles. La correction des défauts est maximale et les effets de "coma" sur le bord du champ sont totalement éliminés. De plus, la transmission lumineuse est nettement plus élevée et le spectre lumineux est parfaitement régulier.

Compte-tenu de leur teneur en plomb, les lentilles en fluorite ont été peu à peu abandonnées au profit des fameuses lentilles en verre ED que l'on retrouve dans bon nombre d'objectifs modernes autofocus conçus pour la photographie numérique.

Les lunettes sont adaptées aux astronomes observant en ville, où la pollution lumineuse est omniprésente.
Leur rendement en ville est souvent nettement supérieur à leurs homologues les télescopes.

Avantages : Pas d'obstruction centrale, ce qui les prédisposent à l'imagerie planétaire à haute résolution. Tube fermé les rendant beaucoup moins sensibles aux turbulences que les télescopes.

Inconvénient : Leur prix qui est toujours 3 à 6 fois plus élevé qu'un télescope de même diamètre, sauf pour les très petits diamètres (50 ou 60 mm).


Les télescopes

Instruments d'optique inventés un peu plus tard que les lunettes, les télescopes et leur composition optique tiennent le nom de leur concepteur.

L'objectif de la lunette a été remplacé par un miroir concave ou parabolique, chargé de collecter la lumière des astres. Dans tous les télescopes, le miroir primaire est secondé par un autre miroir, chargé de diriger la lumière collectée vers l'oculaire, ce qui se caractérise par une obstruction centrale plus ou moins importante.

Le télescope de NEWTON

Inventé par Isaac NEWTON, son télescope fut le premier à être fonctionnel.

Totalement achromatique, cet instrument peut avoir des rapports d'ouverture compris entre 3 et 8, ce qui le rend, à diamètre égal, beaucoup plus compact que la lunette astronomique et surtout très lumineux, ce qui le prédispose à des applications stellaires et au ciel profond.
Le classique télescope NEWTON 114/900 collecte 361 fois plus de lumière que l'oeil humain et à ravi plusieurs dizaines de milliers d'amateurs à travers le monde. Toutefois, les télescopes ne sont pas adaptés aux astronomes observant en ville, où la pollution lumineuse est omniprésente.

Leur rendement en ville est souvent très médiocre.

Le miroir primaire concave, placé au fond du tube, renvoie la lumière en direction d'un miroir secondaire plan incliné à 45° qui fait ressortir la lumière sur le côté de l'instrument. Equipé d'un boîtier photographique ou d'une caméra CCD, ce télescope permet l'imagerie des objets stellaires (galaxies, comètes, amas d'étoiles...).

Avantages : Leur prix qui est souvent 3 à 6 fois moins élevé qu'une lunette de même diamètre. Très grande luminosité, ce qui les prédisposent à l'imagerie stellaire à haute résolution.

Inconvénients : Obstruction centrale importante. Tube ouvert les rendant très sensibles aux turbulences instrumentales et extérieures.

Le télescope de SCHMIDT-CASSEGRAIN

La marque CELESTRON est à l'initiative de cette combinaison optique.

De nombreux autres fabricants comme MEADE, ont ensuite repris le concept. C'est avec ce type de télescope avec lequel j'ai observé pendant une décennie et réalisé les images visibles sur ce site. C'est le télescope polyvalent et pour la HR planétaire, par excellence. Très compact par rapport à un télescope NEWTON, il permet d'obtenir de très longues focales, nécessaires en imagerie planétaire. La plupart des modèles sont ouvert à 10, leur focale est souvent d'environ 2 mètres, pour un tube qui ne fait que 50 cm de long !

Le télescope SCHMIDT-CASSEGRAIN est un télescope catadioptrique. Il combine l'utilisation de lentilles et de miroirs. Dans le cas de ce télescope, la lumière traverse tout d'abord une mince lame correctrice dont les faces sont asphériques, de manière à dévier légèrement la lumière. Puis, le miroir primaire parabolique, au fond du tube, concentre à son tour la lumière en direction du miroir secondaire convexe qui fait sortir la lumière à l'arrière du tube, au travers du miroir primaire.

Avantages : Leur prix qui est souvent 3 à 6 fois moins élevé qu'une lunette de même diamètre. Très grande focale, ce qui les prédisposent à l'imagerie planétaire à haute résolution. Possibilité de monter un réducteur de focale, pour les adapter au ciel profond. Tube fermé par la lame correctrice, les rendant un peu moins sensibles aux turbulences instrumentales et extérieures, que les NEWTONS.

Inconvénients : Obstruction centrale importante. Mise au point par déplacement du miroir primaire, rendue délicate par l'effet du "shifting" qui fait bouger légèrement l'image et complique autant la focalisation que le maintien rigoureux d'une bonne collimation.

Le télescope de MAKSUTOV-CASSEGRAIN

Les travaux d'un ingénieur opticien russe est à l'initiative de cette combinaison optique, au design proche dans son apparence du SCHMIDT-CASSEGRAIN. De nombreux autres fabricants comme MEADE ou CELESTRON, ont ensuite repris le concept. C'est le télescope polyvalent et pour la HR planétaire, par excellence.

Aussi compact qu'un télescope SCHMIDT-CASSEGRAIN, il permet d'obtenir des focales encore plus longues, nécessaires en imagerie planétaire.

Le télescope MAKSUTOV-CASSEGRAIN est un télescope catadioptrique. Il combine l'utilisation de lentilles et de miroirs. Dans le cas de ce télescope, contrairement au SCHMIDT-CASSEGRAIN, la lumière ne traverse pas une mince lame correctrice mais un ménisque correcteur, de manière à dévier légèrement la lumière et corriger les aberrations sphériques du miroir primaire.

Puis, le miroir primaire parabolique, au fond du tube, concentre à son tour la lumière en direction du miroir secondaire convexe qui fait sortir la lumière à l'arrière du tube, au travers du miroir primaire.

Avantages : Leur prix qui est souvent 3 à 6 fois moins élevé qu'une lunette de même diamètre. Très grande focale, ce qui les prédisposent à l'imagerie planétaire à haute résolution. Possibilité de monter un réducteur de focale, pour les adapter au ciel profond. Tube fermé par le ménisque correcteur, les rendant un peu moins sensibles aux turbulences instrumentales et extérieures que les NEWTONS. Il permet contrairement au télescope SCHMIDT-CASSEGRAIN de conserver de bonnes performances en imagerie même dans le cas de figure d'une décollimation très légère compte-tenu de sa composition optique.

Inconvénients : Obstruction centrale importante. Mise au point par déplacement du miroir primaire, rendue délicate par l'effet du "shifting" qui fait bouger légèrement l'image et complique autant la focalisation que le maintien rigoureux d'une bonne collimation.

Arnaud FIOCRET © 2003 (2012)

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