Depuis la Terre et dans l’espace, les télescopes observent des objets et des phénomènes astronomiques invisibles à nos yeux. Des événements violents comme les explosions de supernovae, aux lueurs des exoplanètes, comment ces instruments parviennent-ils à capter et disséquer les ondes lumineuses les plus lointaines ? Décryptage.

Au 17^e siècle, la première lunette astronomique permit à Galilée de découvrir des satellites de Jupiter. Depuis, notamment grâce aux télescopes dont les miroirs décèlent des objets plus petits et plus lointains, l’observation instrumentale explore les confins de l’Univers.

Lunette et télescope, quelle différence ?

Lunettes et télescopes fonctionnent sur le même principe : ils captent la lumière et la concentrent sur un point focal où se forme une image agrandie comme à travers une loupe.

La lunette emploie des lentilles qui réfractent la lumière, c’est-à-dire qu’elles la courbent, la dévient jusqu’au point focal.

Le télescope, lui, utilise des miroirs qui réfléchissent la lumière pour la diriger sur le point focal.

Plus le diamètre d’entrée est important, plus l’instrument collecte de la lumière et peut donc distinguer les détails lointains. C’est la résolution.

Pour atteindre un fort grossissement avec une lunette, il faut aussi une grande distance focale, c’est-à-dire entre la lentille principale et l’œil (ou un instrument tel qu’une caméra par exemple, qui va enregistrer l’image). C’est pourquoi des lunettes comme celle de Meudon près de Paris mesurent des dizaines de mètres de long.

C’est là que les télescopes prennent l’avantage : on peut les équiper de miroirs beaucoup plus grands et/ou en combiner plusieurs de façon à raccourcir mécaniquement cette distance focale : un miroir primaire réfléchit la lumière, puis la transmet à un ou plusieurs miroirs secondaires, tertiaires, etc. C’est ce qui permet notamment d’envoyer des télescopes peu encombrants, mais performants, sur des satellites. 

De la lumière visible aux ondes invisibles

Les ondes lumineuses sont des combinaisons d’ondes électromagnétiques émises ou réfléchies par différents corps.

Comme sur des vagues, plus les ondes sont rapprochées les unes des autres, plus elles sont serrées. En s’éloignant, elles s’étirent, s’aplatissent pour former des ondulations plus longues, aux crêtes plus espacées.

À chaque phénomène astronomique sa couleur

Les étoiles, les planètes et autres corps célestes diffusent des rayonnements électromagnétiques dans différentes longueurs d’onde, selon leur composition, leur taille, leur distance, etc. Chaque objet émet dans une « couleur » dominante en fonction de sa température : le Soleil (environ 6 000 °C) émet principalement dans le visible (jaune), tandis que des objets plus froids se révéleront dans l'infrarouge.

Regarder la mini-série vidéo : « scruter l’Univers »

S’affranchir des limites de l’atmosphère terrestre

Toutes les ondes ne traversent pas l’atmosphère terrestre. Aussi, des télescopes sont embarqués sur des satellites.

L’atmosphère terrestre brouille les observations

L’atmosphère terrestre bloque certaines ondes : les rayons gamma, les rayons X et les UV. De plus, les rayons qui pénètrent l’atmosphère (la lumière visible, une partie des infrarouges et des ondes radio) peuvent être perturbés par l’humidité ou la chaleur. Comme lorsqu’en été l’air chaud modifie la réfraction de la lumière au-dessus d’une route et déforme la vision.

C’est pourquoi les grands télescopes européens sont installés en haut des montagnes du Chili, dans une zone froide et désertique, avec une atmosphère atténuée.

Des télescopes pour différentes missions

S’il peut parfois combiner des observations, par exemple dans le visible et les UV, un télescope ne peut pas étudier l’ensemble des ondes électromagnétiques. Chacun est donc conçu pour une gamme de longueurs d’onde spécifique, dans laquelle il peut même s’intéresser à une catégorie de phénomènes ou d’objets.

Plein feu sur les galaxies et les nébuleuses

Le télescope spatial Hubble (NASA-ESA, 1990), capable d’observer dans le visible, l’infrarouge proche et l’ultraviolet, a considérablement fait avancer la connaissance de l’univers et produit des images inédites de nébuleuses et de galaxies, y compris dans le champ profond, c’est-à-dire des champs plutôt sombres dans lesquels on peut déceler des objets très faibles et lointains grâce à de longs temps de pose.

L’infrarouge, révélateur de l’Univers lointain

L’infrarouge est riche d’enseignements, car il détecte les objets froids proches et aussi certains autres plus chauds, mais très lointains.

Lancé en 2023, le satellite européen Euclid cartographie un vaste pan de l’Univers grâce à un large relevé dans l’infrarouge. Ses mesures aideront notamment à comprendre l’évolution de l’Univers et traquer la matière noire et l’énergie sombre.

Avant Euclid, Planck (ESA, 2009) avait exploré le fond diffus cosmologique et accrédité le scénario du Big Bang et la composition de l’Univers. Et son binôme Herschel, lancé la même année, avait affiné l’analyse des processus de formation d’étoiles et des planètes et… confirmé la présence d’eau partout dans l’Univers.

Plus grand encore qu’Hubble, le James Webb Space Telescope (JWST, NASA-ESA-ASC, 2021) a, grâce à ses instruments à infrarouge, dévoilé les galaxies de l’univers lointain et jeune, et révolutionné la science des exoplanètes.

Voir longtemps

Pas de repos pour les télescopes spatiaux. À l’abri des turbulences et sans alternance jour/nuit, ils peuvent rester pointés en continu sur un objet sans ciller. Cela permet en particulier de détecter des exoplanètes par la méthode de transit. En fixant une étoile, on repère si une planète tourne autour d’elle, car lorsque celle-ci passe devant l’étoile, elle en masque en partie la lumière, qui se ravive quand la planète repasse derrière elle.

Voir l’invisible

Les rayons X sont difficiles à capturer, car comme les rayons Gamma, ils sont si énergétiques qu’ils traversent la matière, donc les miroirs. Des télescopes réussissent tout de même à les focaliser. Et les résultats sont prometteurs. Dans le domaine des rayons X, l’américain Chandra et l’européen XMM (tous deux lancés en 1999) ont ouvert des champs jusqu’alors inexplorés, par exemple en détectant des amas de galaxies lointaines et en évaluant leur masse, ce qui contribue à les caractériser pour les comparer entre elles et affiner ainsi notre compréhension de l’évolution de l’Univers.

Revisiter la Terre et les autres planètes du système solaire

Les télescopes spatiaux scrutent aussi la Terre. À bord des satellites en orbite autour de notre planète, ils recueillent les données permettant d’établir des prévisions météorologiques, de détecter d’éventuelles maladies dans une forêt ou… de réaliser des surveillances militaires.

De même, les sondes spatiales autour des planètes du système solaire sont équipées de petits télescopes. Les observations dans l’infrarouge de Mars Express (ESA, 2003) ont notamment révélé la présence passée d’eau sur Mars.

Toujours plus loin, toujours plus grand !

On sait combiner des observations terrestres et spatiales pour affiner les analyses. En associant les données de deux télescopes équipés de mêmes instruments, on obtient une « image » dont la résolution est équivalente à la distance qui les sépare. En appliquant cette technique (appelée interférométrie) à des télescopes spatiaux distants de milliers de kilomètres, on pourrait obtenir des résolutions inégalées !

L’avenir voit aussi plus loin et plus grand avec le perfectionnement des instruments, comme pour le Nancy Roman Space télescope (NASA) capable de couvrir un champ 100 fois plus étendu qu’Hubble. Ou à l’aide de miroirs toujours plus grands : le télescope spatial américain Habitable World Observatory (HWO) sera doté d’un miroir de 6,5 à… 8 mètres de diamètre.