Télescopes : pour voir l'infiniment loin

La lunette astronomique

Le principe des lunettes astronomiques est basé sur celui de la loupe : l'objet céleste est observé directement, sans miroir, à travers un système sophistiqué de lentilles grossissantes.

Depuis Galilée et ses fameuses observations des reliefs à la surface de la lune, des taches à la surface du soleil, ou des phases de la planète Vénus, les lunettes astronomiques furent améliorées jusqu'à la fin du XIX^e siècle, les plus grandes atteignant un mètre (observatoire de Yerkes, 1897). Il devint alors techniquement impossible d'augmenter leurs performances, d'où le recours aux télescopes.

Les téléscopes

Un télescope utilise un miroir pour concentrer la lumière provenant de l'objet observé. C'est la clé de sa supériorité par rapport à la lunette. Les premiers télescopes furent construits au XVII^e siècle en particulier par Newton. Le plus grand télescope terrestre comportant un miroir unique est celui du Mont Palomar (miroir de 5 mètres de diamètre). Pour résoudre le problème du poids du miroir, sont apparus les miroirs segmentés, constitués d'une mosaïque de petits miroirs (miroir de 10 m de diamètre des télescopes du Keck observatory à Hawaï), puis les miroirs amincis et actifs (leurs déformations sont corrigées en temps réel). L'observation astronomique depuis le sol se heurte au problème de la turbulence atmosphérique (c'est elle qui fait scintiller les étoiles) qui limite la qualité des images. Deux solutions ont été trouvées :

• mettre un télescope en orbite, donc au-delà de l'atmosphère. C'est le fameux télescope spatial Hubble lancé par la Nasa.
• corriger en temps réel grâce à un laser, les fluctuations de l'image (optique adaptative).

Autre problème : pour augmenter le grossissement, il faut augmenter le diamètre du télescope et donc du miroir. Mission impossible : les limites technologiques sont atteintes.

La solution ? Combiner la lumière reçue par plusieurs télescopes fonctionnant de façon couplée : un procédé appelé "interférométrie".

C'est le principe du VLT (Very Large Telescope), construit par l'European Southern Observatory (ESO) au Chili : ses 4 télescopes de 8 mètres de diamètre sont équivalents à un télescope de 200 m de diamètre. Résolution attendue : un millième de seconde d'arc - traduction : cette résolution permettrait de distinguer un homme à la surface de la lune.

Microscopes : Ce sont des instruments permettant d'obtenir une image agrandie d'un objet petit et proche. L'histoire de la microscopie est une course à l'infiniment petit : comment voir des détails de plus en plus fins ?

Les microscopes optiques

Si la loupe était connue dès le XIIe siècle, il faut attendre 1595 pour que soit fabriqué le premier microscope, par les opticiens hollandais Jansen. Au XVIIe siècle, le microscopiste anglais Robert Hooke est le premier à observer une cellule (végétale, d'un morceau de liège). Il publie en 1667 Micrographia, or, Some Physiological Descriptions of Minute Bodies, recueil d'illustrations très précises issues de ses observations au microscope. Il y figure par exemple des organismes invisibles à l'oeil nu comme des "poux d'eau". Cet ouvrage fera sensation.

Les progrès techniques des microscopes optiques se poursuivent jusqu' au XXe siècle mais ces microscopes atteignent leurs limites : leur pouvoir séparateur (taille des détails les plus petits visibles) est limité par les propriétés intrinsèques de la lumière. En utilisant les longueurs d'onde les plus courtes (ultraviolets), la résolution atteint 0,25 microns.

Les microscopes électroniques

En remplaçant la lumière par un faisceau d'électrons, de longueur d'onde nettement plus courte, on peut voir des détails plus petits : jusqu' à quelques nanomètres (un millième de micron). Le microscope électronique en transmission apparaît en 1932, le microsope électronique à balayage en 1939.

Les microscopies à champ proche

Contrairement aux microscopies précédentes, on ne bombarde plus l'échantillon avec un projectile (photons de la lumière ou électrons), mais on promène à proximité de sa surface une pointe, qui en suit le relief. Dans la microscopie à effet tunnel (STM, 1981), on enregistre le petit courant électrique qui passe entre la surface et la pointe ; dans la microscopie à force atomique (AFM, 1986), on enregistre les forces s'exerçant entre la pointe et l'échantillon. Dans les deux cas, un traitement informatique permet de reconstituer en trois dimensions la surface observée.

Les résolutions atteignent le nanomètre. Les images d'atomes déposés sur des surfaces, ou d'ADN, sont obtenues par de tels microscopes. Ils permettent non seulement de "voir" les atomes mais aussi de les manipuler.