Analyse mécanologique des télescopes optiques
2. Analyse opérationnelle
2.1. Le diagramme de fonctionnement du télescope
Maintenant que nous avons décrit brièvement l’individu qu’est le télescope, et spécifié certaines de ses propriétés optiques, tachons d’en fournir une analyse opérationnelle en appliquant notre méthodologie. D’après notre classification, nous rattachons le télescope à la famille des dispositifs focalisateurs de lumière (opération) et à la classe des instruments qui servent à voir loin (fonction). Suivant le principe physique mobilisé, nous le rattacherons soit au groupe des objets techniques réfracteurs, soit à celui des objets réflecteurs. Enfin, le genre technique sera décliné selon la longueur d’onde d’étude (dans le cas du télescope optique, il s’agira de la gamme visible étendue), tout comme le choix de l’architecture dépendra des éléments ainsi que de la configuration retenue. Ces informations sont synthétisées dans le diagramme de fonctionnement de la figure 43 :
Figure 43 – Diagramme de fonctionnement du télescope optique. (© Thomas Guy)
Rappelons que pour le sens commun, et étymologiquement, un télescope est un dispositif qui sert « à voir loin » ou, ce qui est équivalent, à voir plus gros. Cette vue fonctionnaliste se résume par le diagramme de fonctionnement suivant (Fig. 44), diagramme que l’on a mis sous la forme d’une boite noire :
Figure 44 – Nous rattachons le télescope à la classe des objets permettant de voir plus gros - ou plus loin. (© Thomas Guy)
Au contraire, adopter un point de vue centré uniquement sur le fonctionnement interne du télescope nous conduit à le rattacher aux groupes des objets basés sur les principes de réflexion ou de réfraction lumineuse (Fig. 45).
Figure 45 – Nous rattachons le télescope réflecteur au groupe des objets basés sur le principe de réflexion. (© Thomas Guy)
Selon notre définition, le télescope est caractérisé par la double opération de collecte et de focalisation de la lumière. La figure 46 est une représentation diagrammatique du schème technique
pur à l’origine de la famille de rattachement des télescopes (que ceux-ci soient réfracteurs, réflecteurs ou catadioptriques) :
Figure 46 – Famille technique du télescope. (© Thomas Guy)
Enfin, à titre d’exemple, l’essence technique des télescopes réflecteurs se présentent sous la forme suivante (Fig. 47) :
Figure 47 – Représentation de l’essence technique à l’origine de la lignée des télescopes réfracteurs. (© Thomas Guy)
2.2. Application de la matrice des critères de performance
Nous souhaitons maintenant projeter les différentes caractéristiques et propriétés du télescope selon les trois axes de la classification mécanologique : passif, actif, informationnel (Tab. 7). Pour
qu’un télescope soit susceptible de fournir de bonnes observations, il doit avant tout être capable de conserver sa forme optimale. Un télescope dont les miroirs ne sont plus alignés comme ils le devraient ne permettra pas la mise en œuvre du schème technique sous-jacent, ce qui entraînera une perte, voire la disparition, de l’information en sortie. Identiquement, les miroirs et lentilles doivent maintenir leur forme théorique (hyperbolique, sphérique…) sous peine d’être inutilisables pratiquement. Enfin, au niveau de l’observatoire au sein duquel le télescope est intégré, la stabilité du dispositif doit être garantie : au cours des observations, le télescope est amené à bouger (afin de suivre une étoile dans sa course sur la voûte projetée par exemple) et ses déplacements entraînent des perturbations que l’observatoire doit amortir le plus rapidement possible.
Parce qu’il est un instrument scientifique, la dimension informationnelle est celle qui compte le plus pour le télescope. Afin de garantir les meilleures observations possibles, il est important que le télescope soit dénué d’aberrations, aussi bien chromatiques que géométriques. Il s’agit d’un critère de fidélité, qui mesure la capacité à transmettre de l’information sans la dénaturer. Aux petites échelles, en l’occurrence lumineuses, le télescope sera jugé selon sa capacité à détecter des sources de faible intensité, c’est-à-dire sa sensibilité. Symétriquement, aux grandes échelles, le paramètre important, sera mesuré par le pouvoir de résolution, renseignant sur la possibilité d’extraire des informations fines au sein d’une quantité importante de données.
Enfin, on pourra s’intéresser aux caractéristiques actives du télescope. Nous avançons par là l’idée que ce dernier peut s’appréhender comme un dispositif de transfert d’énergie. C’est le cas lorsque nous considérons les photons du rayonnement incident non plus comme des porteurs d’information mais comme des porteurs d’énergie. À notre échelle, il nous importe donc de savoir quel pourcentage de l’énergie incidente est effectivement transmis par le télescope. Une façon simple de le savoir est de se pencher sur la réflectance R, qui est le rapport entre la quantité de rayonnement en sortie sur celle en entrée. L’efficacité globale du télescope est un paramètre complexe, car devant aussi prendre en compte les limitations dues à l’atmosphère (milieu géographique) et aux instruments (milieu technique). Cependant, un paramètre largement utilisé en optique est l’étendue, qui spécifie la capacité du télescope à transmettre le rayonnement vers les instruments (vu comme débit d’information). C’est le produit du champ de vision et de l’ouverture E = F2D2,que nous pouvons réinterpréter en termes d’efficacité du dispositif. Enfin, dernière caractéristique pertinente, le rapport f/D, peut s’apprécier, sous l’angle énergétique, comme la puissance du télescope, mesurant sa capacité à collecter plus de photons, et donc à produire plus d’informations, en un temps donné.
Tableau 7 – Matrice des performances du télescope. (© Thomas Guy)
Degré
Type Inférieur Médian Supérieur
Passif Masse surfacique Maintien de la forme Amortissement
Actif f-ratio f/D Réflectance R Étendue F2 D2 Informationnel Sensibilité D2
Absence d’aberration Pouvoir de résolution λ/D