Exercice corrigé Ancien programme

Turbulences atmosphériques

Depuis près de quatre siècles, tous les instruments mis au point pour scruter l'univers souffrent du même mal : la turbulence atmosphérique brouille leur vue. C'est comme lorsque l'on observe un coucher de soleil sur l'eau d'un étang : si la surface de l'eau est parfaitement plane, l'image est excellente, mais dès que l'eau est agitée, l'image se trouble et le soleil n'est plus alors qu'un vague halo lumineux.

Pour s'affranchir des effets néfastes de l'atmosphère, on construit systématiquement les observatoires sur des montagnes soigneusement sélectionnées, où l'air est plus stable et plus transparent qu'en plaine. Peine partiellement perdue, puisqu'au sommet du mont Paranal au Chili, le Very Large Telescope, avec un miroir de 8 m de diamètre sans dispositif correcteur, permet seulement d'atteindre, dans le domaine du visible, la résolution théorique correspondant à un télescope de 45 cm ! Apparue dès 1946, l'idée d'installer des télescopes en orbite terrestre, donc au-delà de l'atmosphère, aboutit en 1990 avec le télescope spatial Hubble, lorsque les possibilités techniques qu'elle demandait furent disponibles.

L'optique adaptative restitue à un télescope au sol son pouvoir séparateur, c'est-à-dire son acuité visuelle. Avec le système d'optique adaptative NAOS, mis en service fin 2001, le VLT a une résolution augmentée d'un facteur trois par rapport à celle du télescope spatial Hubble. Avec NAOS, les astronomes atteignent le pouvoir de résolution théorique du télescope dans l'infrarouge. Ils espèrent même, dans des conditions favorables, pouvoir atteindre cette ultime limite dans le visible. Ce regain d'acuité s'accompagne automatiquement d'un regain de sensibilité, du seul fait de la meilleure et constante focalisation de l'image.

« Le projet d'optique adaptative Naos », www.onera.fr/conferences/naos

L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations d'un front d'onde grâce à un miroir déformable.

1. En dehors de l'absorption par l'atmosphère de certains domaines d'ondes électromagnétiques (voir l'exercice 4), quel autre phénomène limite l'observation de l'univers depuis la surface de la Terre ?

2. Quels sont les deux moyens permettant de s'affranchir de ce phénomène ?

3. Le pouvoir de résolution mesure le plus petit angle séparant deux points que l'on parvient à voir comme distincts l'un de l'autre : plus cet angle est petit et meilleure est la résolution d'un instrument d'optique. Sachant que le pouvoir de résolution du télescope Hubble est de , déterminer la plus petite distance séparant deux points à la surface de la Lune vus comme distincts par le VLT.

Données

  •  Pour des angles θ petits, on a .
  •  Distance Terre/Lune : .

1. Les turbulences de l'atmosphère, dues à son inhomogénéité, altèrent les ondes qui la traversent, limitant la résolution des appareils d'observation terrestres.

2. On peut s'affranchir de ce phénomène en plaçant les instruments d'observation en dehors de l'atmosphère terrestre, ou en utilisant des miroirs déformables qui s'adaptent en temps réel aux turbulences de l'atmosphère : c'est l'optique adaptative.

3. Soient A et B deux points situés sur la Lune et espacés de la distance minimale pour être considérés comme distincts lorsqu'ils sont observés depuis le VLT.

Le pouvoir de résolution du VLT est trois fois meilleur que celui de Hubble, ce qui signifie que la valeur de θ est trois fois plus petite pour le VLT que pour Hubble (plus θ est faible et meilleure est la résolution du télescope).

.

Or, , donc :

.

Le VLT, équipé du système d'optique adaptative NAOS, est donc capable de distinguer deux points éloignés d'au moins 31,1 m sur la surface de la Lune.

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