Introduction - European Southern Observatory · spectre d’un objet céleste, on peut alors...

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L’astronomie est une science accessible et vi-suelle, faisant d’elle un outil pédagogique idéalpour l’éducation. Au cours des dernières années,le télescope spatial Hubble (projet internationalmené en coopération par la NASA1 et l’ESA2)ainsi que les télescopes terrestres de l’ESO3 (si-tués à La Silla et à Paranal au Chili) nous ontprésenté des vues nouvelles et toujours plusspectaculaires de l’Univers. Ces instrumentsn’ont pas simplement fourni des images éton-nantes, ils sont aussi devenus d’inestimablesoutils pour les astronomes. Grâce à leur excel-lente résolution spatiale/angulaire (finesse del’image), ils permettent de voir plus loin que ja-mais dans l’univers et de répondre à des ques-tions restées jusque-là non élucidées.

Si l’analyse de ces observations est souvent trèssophistiquée, il arrive que son principe soit suf-fisamment élémentaire pour que de jeunes étu-diants de niveau secondaire puissent en faireune exploitation simple.

C’est dans cette optique que l’ESA (Agence Spa-tiale Européenne) qui dispose de 15% du tempsd’observation sur Hubble et l’ESO (ObservatoireAustral Européen) ont élaboré conjointementcette série d’exercices.

L’objectif de cette série est de présenter quel-ques projets relativement courts, selectionnéspour l’engouement et la découverte scientifiquequ’ils suscitent : en utilisant des notions sim-ples de Géométrie et de Physique, les élèvespourront retrouver par eux-mêmes des résultatsscientifiques obtenus avec des méthodes d’ana-lyse plus précises décrites dans la littératurescientifique.

Dans cette introduction générale, et pour clari-fier le type d’observations présentées plus loin,nous donnerons un aperçu des intérêts de Hub-ble et des télescopes de l’ESO, ainsi qu’un brefdescriptif de leur composition, de leur instru-mentation et de leur mode d’opération.

La série d’exercices était à l’origine proposéeseulement en anglais, langue communément em-ployée dans le milieu scientifique. Pour l’utiliserdans un contexte interdisciplinaire, qui renforcela motivation et la connaissance des élèves,vous pouvez la télécharger sur le site http://www.astroex.org. Dans un esprit d’ouverture,l’ESA a aussi édité la série dans d’autres langues.Toutefois, les sigles — tous pensés en anglais— deviennent souvent illogiques après traduc-tion : nous avons donc décidé de les expliciteren anglais et de décrire sommairement leur si-gnification en français.

Tous les exercices suivent le même schéma : untexte principal puis une série de questions, demesures et de calculs. Ils peuvent être utiliséssoit pour étayer un cours classique, soit en tantque projets à part entière, pour un travail enpetits groupes.

Les exercices sont indépendants les uns desautres et une sélection pourra être effectuéesuivant le temps disponible. Nous recomman-dons toutefois l’étude du livret ‘Outils’ avant laréalisation des exercices, à moins que les élèvesne soient déjà familiers avec les notions qui ysont présentées.

1National Aeronautics and Space Administration2European Space Agency3European Southern Observatory

Intr

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tion

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Les Exos d’Astro de l’ESA/ESO

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Figure 1 : Absorption due à l’atmosphère terrestreLes objets astronomiques émettent de la lumière dans un large spectre, mais seules certaines gammes de longueurs d’ondespeuvent traverser l’atmopshère terrestre. Les autres sont absorbées et diffusées par celle-ci. Le schéma montre la transparencede l’atmosphère en fonction de la longueur d’onde. On s’aperçoit que les ultraviolets sont presque totalement absorbés, ainsiqu’une grande partie de l’infrarouge.

Hubble fut déployé de la navette spatiale “Dis-covery” le 26 avril 1990. Soixante-sept ans plustôt, l’allemand Hermann Oberth, spécialiste desfusées et précurseur de l’astronautique, annon-çait déjà les avantages potentiels de l’observa-tion hors atmosphère terrestre.La première proposition sérieuse concernant ungrand observatoire spatial remonte au début desannées 60 et fut proposée à la NASA. Après lesétudes de faisabilité, un programme communNASA/ESA vit le jour en 1977. Malgré le respectque l’on doit à la résolution de Hubble — loindevant celle des télescopes terrestres — il nes’agit pas à proprement parler d’un grand téles-cope, son miroir primaire ne mesurant que 2,4 mde diamètre.

Les images prises par les télescopes terrestressont toutes affectées par des distorsions duesau passage de la lumière à travers les couchesturbulentes de l’atmosphère terrestre. Présentemême dans les grands instruments, cette inévi-table dégradation de l’image limite considéra-blement la résolution des télescopes terrestres àenviron une demi-seconde d’arc (1” = 1/3600°).En revanche, dans l’espace, la lumière se pro-page librement (les étoiles ne scintillent qu’àcause de l’atmosphère) et la performance d’untélescope n’y est limitée que par la précision del’optique et du pointage vers l’objet stellairephotographié. Ainsi, les photos prises par Hub-ble sont cinq fois plus detaillées que celles pri-ses du sol. La résolution au niveau du sol est en

gros équivalente à celle nécessaire pour lire lesgros titres d’un journal à un kilomètre, mais grâ-ce à Hubble, il est aussi possible d’en lire le tex-te !

L’intérêt principal d’Hubble réside dans cetteamélioration considérable des images. Hubblepermet non seulement aux astronomes d’étudierdes objets familiers avec plus d’acuité, il permetaussi la détection et l’étude d’objets trop faiblespour un télescope terrestre. En ce sens, Hubblea augmenté le volume d’espace observable.

Le télescope spatial est en outre capable de col-lecter de la lumière dans un domaine de lon-gueurs d’onde bien plus large que les instru-ments au sol, limités par l’atmosphère qui filtrecertaines longueurs d’ondes (cf. Fig. 1).

En effet, Hubble est non seulement capable dediscerner des objets dans le domaine visible,mais aussi dans l’ultraviolet et l’infrarouge. Larégion de l’ultraviolet est d’une importance ca-pitale pour les astronomes puisqu’elle contientla plupart des “transitions atomiques” des prin-cipaux éléments présents dans l’espace. Chaqueélément possède sa propre signature spectralepuisqu’il absorbe et émet de la lumière à deslongueurs d’onde bien précises. En reconnais-sant les différentes signatures qui composent lespectre d’un objet céleste, on peut alors déter-niner sa composition chimique, sa températureet ses propriétés physiques.

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Le télescope spatial Hubble

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Le VLT est le télescope infrarouge/visible le plusgrand au monde. Les premières initiatives pourla réalisation d’un grand télescope européen re-montent à la fin des années 70 et les astrono-mes en ont élaboré les plans tout au long desannées 80. Une fois les détails de la construc-tion et le projet de financement réunis, le Con-seil de l’ESO donna son feu vert en décembre1987.

L’ESO, un organisme international de recherche,a été fondé en 1962 par l’Allemagne, la Belgi-que, la France, les Pays-Bas et la Suède, tous“désireux de construire un observatoire basé dansl’hemisphère Sud, doté d’instruments puissants,afin d’encourager la coopération scientifique enAstronomie”. Depuis, le Danemark, l’Italie, le

Portugal et la Suisse ont rejoint ce projet. LeRoyaume-Uni fera de même en 2002. Plus ré-cemment, d’autres pays ont aussi exprimé leurvolonté de devenir membre de l’ESO.

L’ESO gère deux observatoires ultra-modernes, àParanal et La Silla. Cerro Paranal, à 2635 m d’al-titude (24°37’ Sud, 70°24’ Ouest), est situédans la partie septentrionale du Chili : à 12 kmde la côte pacifique, 130 km au sud d’Antofagas-ta, 1200 km au nord de Santiago du Chili et 600km au nord de La Silla. Le site est dans l’une desrégions les plus arides du monde, le désertd’Atacama. Le mauvais temps étant l’ennemi nu-méro un des astronomes, l’ESO a choisi cet em-placement après une étude climatologique com-plète : l’observatoire dispose de 350 nuits clai-res par an.

Le VLT est constitué de quatre unités, nomméesUT (Unit Telescopes). Chaque miroir primaire me-sure 8,2 m de diamètre, les miroirs secondaireset tertiaires étants plus réduits. Comme on l’avu, en traversant l’atmosphère, la lumière subitune distorsion : voilà pourquoi les étoiles scin-tillent. Un système à Optique Adaptative a étédéveloppé pour corriger cet effet gênant. Lesimages obtenues par le télescope retrouventalors toute leur finesse, comme si le VLT étaitdans l’espace.

Le VLT est équipé de nombreux instrumentshigh-tech. Les quatre télescopes de 8,2 m furentopérationnels à la fin de l’année 2000. Des ré-sultats impressionants ont déjà été obtenus.

En outre, trois télescopes auxiliaires (AT ouAuxiliary Telescopes) de 1,8 m sont en construc-tion. Il est possible d’utiliser chaque télescopeindépendamment ou, une fois les AT disponi-bles, de les combiner pour aboutir à un interfé-romètre : le VLTI (VLT Interferometer). Le VLTIaura le même pouvoir de résolution qu’un téles-cope de 200 m de diamètre. Les premières ob-servations se sont déroulées en 2001.

Figure 2 : Carte du ChiliSont indiqués les deux sites de l’ESO : La Silla etParanal.

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Le VLT (Very Large Telescope) de l’ESO

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ANTU et FORS

La construction à Cerro Paranal débuta en 1991.Six ans plus tard, le premier des quatre miroirsarrivait à destination. La “première lumière” del’UT1 “ANTU” fut comme prévu détectée dans lanuit du 25 mai 1998 (ANTU signifie “Le Soleil”dans la langue Mapuche). Les trois grands frèresd’ANTU firent leurs premières observations res-pectivement en mars 1999, janvier 2000 etseptembre 2000.

Les UT du VLT sont équipés de montures alt-azi-mutales. Dans ce type de monture, le tube prin-cipal du télescope tourne autour d’un axe hori-zontal (l’axe des hauteurs). Les deux bras quisupportent le tube sont montés sur un supportpivotant autour d’un axe vertical (axe de l’azi-mut), permettant au télescope de pointer dansn’importe quelle direction.

Le 15 septembre 1998, FORS1 (FOcal Reducerand Spectrograph) monté sur ANTU, donna ses

premières images, d’une qualité d’emblée excep-tionnelle. Depuis, FORS1 et les autres instru-ments du VLT suscitent beaucoup d’espoir de lapart des astronomes européens.

FORS1, tout comme son jumeau FORS2, est leproduit de l’une des technologies les plus avan-cées de l’observation terrestre. Les instruments“FORS” sont des instruments multi-modes. Il estpar exemple possible d’obtenir des images avecdeux grossissements différents. De la même fa-con, les spectres d’objets simples ou multiplespeuvent être obtenus avec diffèrentes résolu-tions. Ainsi, FORS peut détecter des galaxiestrès éloignées et enregistrer immédiatement leurspectre, en vue de déterminer le type et la dis-tance des étoiles qui les composent.

Pour plus d’information sur le VLT de l’ESO, vouspouvez consulter le site internethttp://www.eso.org.

Figure 3 : Vue schématique de l’interféromètre du VLT

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Le VLT (Very Large Telescope) de l’ESO

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