Placer un CCD dans le foyer principal d'un télescope ou d'un observatoire est un excellent moyen d'obtenir d'excellentes images; Une technologie similaire est utilisée depuis plus de 100 ans. Mais est-il possible d'utiliser un CCD seul, sans miroir ni objectif?Pendant des centaines d'années, le principe de l'utilisation d'un télescope a été le plus simple des plus simples: créer une lentille ou un miroir pour collecter une grande quantité de lumière, le focaliser sur le détecteur (œil, plaque photographique, appareil électronique) et voir quelque chose qui dépasse de loin les capacités de l'œil nu. Au fil du temps, les lentilles et les miroirs sont devenus plus gros en diamètre et ont été fabriqués avec une précision croissante, et les détecteurs ont atteint un niveau auquel ils ont pu collecter et utiliser chaque photon entrant. La qualité des détecteurs peut vous faire vous demander pourquoi nous avons besoin de lentilles! Voici ce que notre lecteur demande:
Pourquoi avons-nous besoin de lentilles et de miroirs pour créer un télescope si nous avons des capteurs CCD? Pourquoi, au lieu de fabriquer un miroir ou un objectif de 10 mètres qui concentre la lumière sur un petit capteur, ne fabriquez pas un capteur de 10 mètres?
La question est très délicate, car s'ils pouvaient le faire, cela révolutionnerait.
Comparaison des tailles de miroirs de divers télescopes existants et proposés. Lorsque le télescope géant Magellan commencera à fonctionner, il deviendra le plus grand du monde et le premier de la catégorie des télescopes optiques d'un diamètre de plus de 25 m; par la suite, il devra être dépassé par le très grand télescope européen . Mais tous ces télescopes ont des miroirs.Peu importe la qualité de réflexion de notre surface, la précision avec laquelle nous rectifions et polissons nos lentilles, la façon dont nous appliquons le revêtement de manière uniforme et avec soin, et la façon dont nous repoussons et détruisons la poussière - aucun miroir ou lentille ne sera jamais 100% optiquement parfait. Une certaine fraction de la lumière sera perdue à chaque étape et à chaque réflexion. Étant donné que les plus grands modèles de télescopes d'aujourd'hui nécessitent des miroirs à plusieurs étages, y compris un grand trou dans le miroir principal, qui offre un bon emplacement pour réfléchir la lumière, il existe des limites inhérentes au système de collecte d'informations sur l'univers à l'aide de miroirs et de lentilles.
L'objectif est clair et beau: supprimer les étapes inutiles, éliminer toute perte de lumière. Cette idée peut sembler simple, et comme les capteurs CCD sont de plus en plus courants et moins chers, elle pourrait trouver son application dans l'astronomie du futur. Mais la réalisation d'un tel rêve ne sera pas très simple, car il y a des obstacles très importants sur son chemin qui doivent être surmontés pour obtenir un télescope sans miroirs ni lentilles. Passons en revue.
L'image de 1887 de la nébuleuse d'Andromède a montré pour la première fois la structure des bras spiraux de la grande galaxie la plus proche de la Voie lactée. Il est complètement blanc car la photo a été prise sans utiliser de filtres - au lieu de prendre une photo à travers un filtre rouge, vert et bleu, puis de combiner ces couleurs.1) Les CCD mesurent parfaitement la lumière, mais ils ne trient ni ne filtrent les longueurs d'onde. Vous n'avez pas pensé à pourquoi toutes les vieilles photos d'étoiles et de galaxies sont faites en noir et blanc, malgré le fait que les étoiles et les galaxies elles-mêmes ont certaines couleurs? C'est parce qu'ils n'ont pas collecté de lumière avec des filtres séparés à différentes longueurs d'onde. Même les télescopes modernes placent un filtre entre la lumière entrante et le CCD / appareil photo pour viser une longueur d'onde spécifique ou un ensemble de longueurs d'onde, prendre plusieurs images avec plusieurs filtres, puis recréer l'image en couleurs vraies ou fausses.
Andromeda Galaxy (M31), prise du télescope au sol à travers plusieurs filtres, après quoi un portrait en couleur a été créé à partir de ces photosCela peut être évité en créant un ensemble complet de filtres pour chaque élément CCD individuel, mais la conception sera lourde, coûteuse et nécessitera que ces filtres soient situés quelque part derrière les éléments CCD, car il est nécessaire de préserver l'intégralité de la zone de collecte de lumière, qui normalement occuperait un miroir ou des lentilles regardant le ciel. Ce n'est pas un obstacle insurmontable, mais à l'heure actuelle, nous n'avons pas de solution à ce problème.
Les CCD de grande surface sont extrêmement utiles pour collecter et détecter la lumière, et pour maximiser les avantages de chaque photon entrant individuel. Mais sans miroir ni lentilles pré-focalisant la lumière, la nature omnidirectionnelle du CCD ne sera pas en mesure de produire une image significative de l'objet observé2) Le CCD ne mesure pas la direction de la lumière entrante. Pour obtenir des images significatives qui vont si bien avec les télescopes, ils doivent mesurer non seulement l'intensité et la longueur d'onde de la lumière entrante, mais aussi sa direction. Les lentilles et les miroirs ont une propriété merveilleuse - la lumière provenant d'une source extrêmement éloignée, perpendiculaire au plan du miroir, est focalisée de telle manière qu'elle pénètre dans l'appareil photo / la plaque photographique / le CCD, et la lumière provenant d'autres directions n'y arrive pas en raison des réflexions et des réfractions. Pour un CCD séparé, ce n'est pas le cas: il enregistre la lumière de n'importe quelle direction. Si vous n'apportez pas les rayons dans un faisceau, ne concentrez pas la lumière à l'avance, vous voyez juste un ciel blanc brillant dans toutes les directions - aucune information sur la direction de la lumière n'y sera enregistrée.
Le schéma de fonctionnement de l'équipement du télescope solaire McMas-Pierce , un télescope avec le tunnel optique le plus long du monde. Même lui, en fin de compte, a besoin d'un miroir pour obtenir des images de haute qualité.Vous pourriez penser qu'une solution à ce problème serait de construire un tube extrêmement long et opaque perpendiculaire au plan de la matrice CCD, mais c'est aussi un problème: sans lentilles et miroir, la lumière de tout ce qui est dans le champ de vision tombera sur chaque pixel de votre matrice. Même le plus long puits jamais construit à cet effet, le télescope solaire McMas-Pierce [longueur du puits 220 m / env. trans.], vous avez toujours besoin d'un miroir ou de lentilles pour focaliser la lumière. C'est le plus gros problème lié à l'utilisation d'une matrice CCD seule pour mesurer la lumière, et la principale raison pour laquelle vous devez l'équiper d'un miroir ou d'une lentille.
La photo prise à l'usine Astrium de Toulouse montre un ensemble de 106 CCD qui composent le plan focal du télescope spatial Gaia . Les CCD sont boulonnés à leur structure de support (CSS). Le CSS (une plaque grise pour CCD) pèse environ 20 kg et est fait de carbure de silicium (SiC), un matériau avec une stabilité thermique et mécanique remarquable. Dimensions de l'avion: 1 × 0,5 m3) Les CCD sont trop chers pour couvrir un cercle d'un diamètre de 10 mètres. Les CCD seuls sont chers; un CCD avancé de 12 mégapixels, avec des pixels (et des micro-lentilles les couvrant) mesurant 3,1 microns de diamètre, se
vend 3 700 $ . Pour couvrir une superficie équivalente à un miroir de 10 mètres, 700 000 matrices seraient nécessaires: ce coût approche les 3 milliards de dollars inacceptables. À titre de comparaison, le très grand télescope européen avec un miroir principal d'un diamètre de 39 mètres ainsi que tout l'observatoire et l'équipement
est estimé à 1 083 millions d'euros - moins de la moitié du premier montant.
Le diagramme montre le dernier système de cinq miroirs du très grand télescope européen. Avant d'arriver aux instruments scientifiques, la lumière est d'abord réfléchie par un miroir composite concave géant de 39 m de diamètre (M1), puis réfléchie par deux miroirs de 4 mètres, convexe (M2) et concave (M3). Les deux derniers miroirs (M4 et M5) forment le système optique adaptatif intégré pour obtenir des images extrêmement claires sur le plan focal final.La quantité supplémentaire de lumière entrant dans le CCD sans miroir serait minuscule, car à chaque réflexion, nous perdons environ 5 à 10% de la lumière, mais en passant en même temps de 10 mètres à 39 mètres de diamètre du miroir, nous augmentons la quantité de lumière de 1500% ( mille cinq cent pour cent)! Autrement dit, vous pouvez dépenser beaucoup mieux si votre objectif est de collecter plus de lumière et d'augmenter la résolution.
Sur Terre, les télescopes grands et massifs ne sont généralement pas un problème tant que la forme des miroirs est maintenue idéale pour réfléchir la lumière. Mais dans l'espace, le coût du lancement est déterminé par la taille et le poids, donc chaque petite économie vaut beaucoup4) Si vous souhaitez gagner du poids, il existe une meilleure solution. Le télescope spatial Hubble était incroyablement difficile à lancer et à déployer, non seulement en raison de sa taille, mais aussi en raison de son poids. La gravité du miroir principal était l'un des plus gros obstacles à la mission. Mais au
télescope James Webb, la zone de collecte de lumière sera sept fois plus grande que celle de Hubble, et elle pèsera encore moins de la moitié de son prédécesseur plus grand. Quel est le secret? Jetez le miroir, façonnez-le, polissez-le, puis
percez le matériau par l'arrière .
Installation du dernier, 18e segment du miroir principal du télescope James Webb. Les couvertures sombres protègent les segments dorés des rétroviseurs, tandis que 92% du matériau d'origine a déjà été retiré de l'arrière.Dans l'espace, il n'est pas nécessaire de lutter contre la gravité, donc une résistance structurelle spéciale n'est pas nécessaire pour soutenir le télescope. Après avoir fabriqué chacun des 18 segments du télescope James Webb, 92% de la masse d'origine a été forée à partir de la face arrière du télescope - cela a aidé à maintenir la forme de l'avant du miroir et à économiser considérablement sur le poids.
L'intérieur et le miroir principal du Télescope de Grande Canarie, propriétaire du plus grand miroir du monde (10,4 m)Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles il serait possible de construire un télescope sans lentilles ni miroirs - l'optimisation par le poids, le coût, les matériaux, la puissance de collecte de la lumière, la qualité de l'image, la résolution, dans tous les cas, nécessitera quelques compromis. Mais le fait que les CCD seuls ne puissent pas mesurer la direction de la lumière entrante est un gros problème pour créer un télescope sans miroir. Bien que chaque surface de miroir à partir de laquelle la lumière est réfléchie entraîne sa perte partielle, les miroirs restent le meilleur moyen d'obtenir des images de l'Univers avec une résolution élevée, une excellente qualité, avec une grande zone de collecte de lumière et un coût relativement faible. Si le coût du CCD diminue, s'il est possible de construire un réseau de la taille d'un miroir de télescope, et qu'il sera également possible de mesurer la direction de la lumière entrante en temps réel, il sera alors possible de parler de quelque chose. Mais jusqu'à présent, aucun remplacement n'est prévu pour la science optique. Plus de 300 ans après la première publication du traité révolutionnaire sur la nature de la lumière, les règles de Newton lors de la création de télescopes individuels n’ont pas encore été vaincues!
Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].FAQ: si l'Univers se développe, pourquoi ne nous développons-nous pas ? pourquoi l'âge de l'univers ne coïncide pas avec le rayon de sa partie observée