6.E : Instruments astronomiques (exercices)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

• Blades, J.C. « Réparer le Hubble une dernière fois ». Sky & Telescope (octobre 2008) : 26. Sur la dernière mission de service de navette et sur ce que le Hubble était alors capable de faire.
• Brown, A. « Comment Gaia va cartographier un milliard d'étoiles. » Astronomie (décembre 2014) : 32. Belle revue de la mission qui consiste à faire de la photométrie et de la spectroscopie de toutes les étoiles au-dessus d'une certaine luminosité.
• Irion, R. « Prime Time ». Astronomie (février 2001) : 46. Sur la répartition du temps sur les principaux télescopes de recherche.
• Jedicke, Peter et Robert. « Les prochaines patrouilles célestes géantes. » Sky & Telescope (septembre 2008) : 30. À propos de télescopes géants pour observer le ciel en continu.
• Latium, Joseph et coll. « À l'écoute de l'univers : la radioastronomie du 21e siècle. » Sky & Telescope (juillet 2008) : 21. À propos d'ALMA et du Square Kilometer Array.
• Lowe, Jonathan. « Miroir, miroir. » Sky & Telescope (décembre 2007) : 22. Sur le grand télescope binoculaire en Arizona.
• Lowe, Jonathan. « Next Light : les télescopes monstres de demain. » Sky & Telescope (avril 2008) : 20. À propos des plans pour de très grands télescopes au sol.
• Mason, Todd et Robin. « Le grand œil de Palomar. » Sky & Telescope (décembre 2008) : 36. Sur le télescope Hale de 200 pouces.
• Subinsky, Raymond. « Qui a vraiment inventé le télescope. » Astronomie (août 2008) : 84. Brève introduction historique, centrée sur Hans Lippershey.

Sites Web

• Les sites Web des principaux télescopes sont indiqués dans [lien], [lien], [lien] et [lien].

Vidéos

• Astronomie de la stratosphère : SOFIA : https://www.youtube.com/watch?v=NV98BcBBA9c. Une conférence du Dr. Dana Backman (1:15:32)
• Galaxies vues dans le spectre complet de la lumière : https://www.youtube.com/watch?v=368K0iQv8nE. Des scientifiques de l'observatoire Spitzer montrent comment une galaxie a une apparence différente à différentes longueurs d'onde (6:22)
• Lever le voile cosmique : faits saillants d'une décennie du télescope spatial Spitzer : https://www.youtube.com/watch?v=nkrNQcwkY78. Une conférence du Dr Michael Bicay (1:42:44)

Activités de groupe collaboratives

1. La plupart des grands télescopes reçoivent beaucoup plus de propositions de projets d'observation qu'il n'y a de temps d'observation nocturne disponible en un an. Supposons que votre groupe soit le comité d'attribution du temps consacré aux télescopes, qui relève du directeur de l' Quels critères utiliseriez-vous pour décider comment attribuer du temps sur le télescope ? Quelles mesures pourriez-vous prendre pour vous assurer que tous vos collègues pensent que le processus est équitable et que les gens continueront à vous parler lors de futures réunions d'astronomie ?
2. Votre groupe est un comité d'astronomes nerveux sur le point de proposer aux ministres du gouvernement de votre petit pays européen de participer avec d'autres pays à la construction du plus grand télescope du monde dans le haut désert aride des Andes chiliennes. Vous vous attendez à ce que les ministres du gouvernement soient très sceptiques quant à l'idée de soutenir ce projet. Quels arguments proposeriez-vous pour les convaincre de participer ?
3. Les mêmes ministres que nous avons rencontrés lors de l'activité précédente vous demandent de dresser une liste des avantages et des inconvénients de la présence du plus grand télescope du monde dans les montagnes du Chili (au lieu d'une montagne en Europe). Que listerait votre groupe dans chaque colonne ?
4. Votre groupe devrait discuter et dresser une liste de toutes les différences entre une séance d'observation sur un grand télescope à lumière visible et un grand radiotélescope. (Conseil : N'oubliez pas que, comme le soleil n'est pas particulièrement brillant à de nombreuses longueurs d'onde radio, les observations à l'aide de radiotélescopes peuvent souvent être effectuées pendant la journée.)
5. Une autre « menace environnementale » pour l'astronomie (outre la pollution lumineuse) provient du déversement des communications terrestres dans les « canaux » (longueurs d'onde et fréquences) précédemment réservés à la radioastronomie. Par exemple, la demande de téléphones portables signifie que de plus en plus de canaux radio seront utilisés à cette fin. Les faibles signaux provenant de sources radio cosmiques pourraient être noyés dans une mer de conversations terrestres (traduits et envoyés sous forme d'ondes radio). Supposons que votre groupe soit un comité du Congrès soumis à des pressions à la fois par des radioastronomes, qui souhaitent conserver des canaux clairs pour l'astronomie, et par des entreprises qui peuvent gagner beaucoup d'argent en développant l'utilisation des téléphones portables. Quels arguments pourraient vous faire pencher de chaque côté ?
6. Lorsque le site du nouveau télescope de trente mètres sur le Mauna Kea à Hawaï a été inauguré, un groupe de natifs d'Hawaï s'est opposé au projet parce que les astronomes construisaient trop de télescopes sur une montagne que les Hawaïens considèrent comme un site sacré. Vous pouvez en savoir plus sur cette controverse sur http://www.nytimes.com/2015/12/04/sc...cope.html ? _r=0 et sur http://www.nature.com/news/the-mount...escope-1.18446. Une fois que votre groupe connaît les faits, discutez des revendications de chaque partie à la controverse. Comment pensez-vous que cela devrait être résolu ?
7. Si vous pouviez proposer d'utiliser un grand télescope moderne, que voudriez-vous savoir ? Quel télescope utiliseriez-vous et pourquoi ?
8. La pollution lumineuse (lumière projetée dans le ciel nocturne rendant difficile l'observation des planètes et des étoiles) était autrefois un problème qui préoccupait principalement les astronomes. Aujourd'hui, les éclaboussures nocturnes inquiètent également les écologistes et ceux qui s'inquiètent du réchauffement climatique. Votre groupe peut-il proposer des raisons non astronomiques pour s'opposer à la pollution lumineuse ?

Questions de révision

1. Quels sont les trois éléments de base d'un instrument astronomique moderne ? Décrivez chacune d'elles en une ou deux phrases.
2. Nommez les deux fenêtres spectrales par lesquelles le rayonnement électromagnétique atteint facilement la surface de la Terre et décrivez le télescope à plus grande ouverture actuellement utilisé pour chaque fenêtre.
3. Énumérez les télescopes simples à plus grande ouverture actuellement utilisés dans chacune des bandes suivantes du spectre électromagnétique : radio, rayons X, rayons gamma.
4. Lorsque les astronomes discutent des ouvertures de leurs télescopes, ils disent que plus c'est gros, mieux c'est. Expliquez pourquoi.
5. Le télescope Hooker de l'observatoire Palomar a un diamètre de 5 m et le télescope Keck I un diamètre de 10 m. Combien de lumière le télescope Keck peut-il collecter de plus que le télescope Hooker dans le même laps de temps ?
6. Qu'entend-on par télescopes « réfléchissants » et « réfracteurs » ?
7. Pourquoi les plus grands télescopes à lumière visible du monde sont-ils fabriqués avec des miroirs plutôt que des lentilles ?
8. Comparez l'œil, le film photographique et les CCD en tant que détecteurs de lumière. Quels sont les avantages et les inconvénients de chacune d'entre elles ?
9. Qu'est-ce qu'un dispositif à transfert de charge (CCD) et comment est-il utilisé en astronomie ?
10. Pourquoi est-il difficile d'observer aux longueurs d'onde infrarouges ? Que font les astronomes pour remédier à cette difficulté ?
11. Les observations radio et radar sont souvent effectuées avec la même antenne, mais dans le cas contraire, il s'agit de techniques très différentes. Comparez et opposez l'astronomie radio et radar en termes d'équipement nécessaire, de méthodes utilisées et de type de résultats obtenus.
12. Regardez la figure\(6.4.2\) de Cygnus A et relisez sa légende. La matière contenue dans les lobes géants situés sur les bords de l'image a dû être éjectée du centre il y a au moins combien d'années ?
13. Pourquoi les astronomes placent-ils des télescopes sur l'orbite de la Terre ? Quels sont les avantages pour les différentes régions du spectre ?
14. Quel était le problème avec le télescope spatial Hubble et comment a-t-il été résolu ?
15. Décrivez les techniques utilisées par les radioastronomes pour obtenir une résolution comparable à celle que peuvent obtenir les astronomes travaillant avec de la lumière visible.
16. Quels types de télescopes à lumière visible et infrarouge au sol les astronomes prévoient-ils pour l'avenir ? Pourquoi les construisent-ils au sol et non dans l'espace ?
17. Décrivez un télescope à lumière visible ou infrarouge que les astronomes envisagent de lancer dans l'espace à l'avenir.

Questions de réflexion

1. Qu'arrive-t-il à l'image produite par un objectif si celui-ci est « arrêté » (ouverture réduite, réduisant ainsi la quantité de lumière traversant l'objectif) à l'aide d'un diaphragme à iris, un dispositif qui couvre sa périphérie ?
2. Quelles seraient les propriétés d'un détecteur astronomique idéal ? Dans quelle mesure les propriétés réelles d'un CCD se rapprochent-elles de cet idéal ?
3. Il y a plusieurs décennies, les astronomes du personnel des observatoires du mont Wilson et de Palomar bénéficiaient chacun d'une soixantaine de nuits par an pour leurs programmes d'observation. Aujourd'hui, un astronome a la chance de passer 10 nuits par an sur un grand télescope. Pouvez-vous suggérer les raisons de ce changement ?
4. Le plus grand complexe d'observatoires du monde se trouve sur le Mauna Kea, la plus haute montagne de la planète. Quels sont les facteurs que les astronomes prennent en compte lorsqu'ils choisissent un site d'observatoire ? N'oubliez pas ceux qui sont pratiques. Les astronomes devraient-ils, par exemple, envisager de construire un observatoire sur le Denali (mont McKinley) ou le mont Everest ?
5. Supposons que vous recherchiez des sites pour un observatoire de lumière visible, un observatoire infrarouge et un observatoire radio. Quels sont les principaux critères d'excellence pour chacun ? Quels sites sont réellement considérés comme les meilleurs aujourd'hui ?
6. La radioastronomie utilise des longueurs d'onde beaucoup plus longues que celles de la lumière visible, et de nombreux observatoires orbitaux ont exploré l'univers à la recherche de rayonnements de très courtes longueurs d'onde. Quels types d'objets et de conditions physiques pensez-vous être associés à l'émission de rayonnements à des longueurs d'onde très longues et très courtes ?
7. Le doyen d'une université située près de l'océan (qui n'était pas étudiante en sciences à l'université) propose de construire un télescope infrarouge directement sur le campus et de le faire fonctionner dans un joli dôme chauffé afin que les astronomes soient à l'aise lors des froides nuits d'hiver. Critiquez cette proposition en donnant votre raisonnement.

Se débrouiller par vous-même

1. Quelle est la superficie, en mètres carrés, d'un télescope de 10 mètres ?
2. Environ 9 000 étoiles sont visibles à l'œil nu dans tout le ciel (imaginez que vous pouvez voir partout dans le monde, ainsi que dans les hémisphères nord et sud), et il y a environ 41 200 degrés carrés dans le ciel. Combien d'étoiles sont visibles par degré carré ? Par seconde d'arc carré ?
3. Théoriquement (c'est-à-dire si la vision n'était pas un problème), la résolution d'un télescope est inversement proportionnelle à son diamètre. Dans quelle mesure la résolution de l'ALMA, lorsqu'il fonctionne à sa ligne de base la plus longue, est-elle meilleure que celle du télescope Arecibo ?
4. En plein jour, la taille de votre pupille est généralement de 3 mm. Dans des situations sombres, il s'étend jusqu'à environ 7 mm. Combien de lumière pourra-t-elle encore recueillir ?
5. Quelle quantité de lumière supplémentaire peut être collectée par un télescope de 8 m de diamètre par rapport à un œil complètement adapté à l'obscurité de 7 mm ?
6. Quelle quantité de lumière supplémentaire le télescope Keck (avec son miroir de 10 m de diamètre) peut-il recueillir par rapport à un télescope amateur dont le miroir mesure 25 cm (0,25 m) de diamètre ?
7. Les gens sont souvent embêtés lorsqu'ils découvrent que les télescopes réfléchissants sont dotés d'un deuxième miroir au milieu qui permet d'acheminer la lumière vers un point de focalisation accessible où de gros instruments peuvent être montés. « Tu ne perds pas la lumière ? » les gens demandent. Oui, mais il n'y a pas de meilleure alternative. Vous pouvez estimer la quantité de lumière perdue par un tel arrangement. Le miroir principal (celui du bas de la figure\(6.1.5\)) du télescope Gemini North mesure 8 m de diamètre. Le miroir secondaire situé au sommet mesure environ 1 m de diamètre. Utilisez la formule de l'aire d'un cercle pour estimer quelle fraction de la lumière est bloquée par le miroir secondaire.
8. Les télescopes peuvent désormais être pilotés à distance depuis une pièce chaude, mais jusqu'à il y a environ 25 ans, les astronomes travaillaient sur le télescope pour le guider afin qu'il reste pointé exactement au bon endroit. Dans un grand télescope, comme le télescope Palomar de 200 pouces, les astronomes étaient assis dans une cage au sommet du télescope, où se trouve le miroir secondaire, comme le montre la figure\(6.1.5\). Supposons, pour les besoins de votre calcul, que le diamètre de cette cage était de 40 pouces. Quelle fraction de la lumière est bloquée ?
9. Le HST a coûté environ 1,7 milliard de dollars pour la construction et 300 millions de dollars pour le lancement de sa navette, et son exploitation coûte 250 millions de dollars par an. Si le télescope a une durée de vie de 20 ans, quel en est le coût total par an ? Par jour ? Si le télescope ne peut être utilisé que 30 % du temps pour des observations réelles, quel est le coût par heure et par minute du temps d'observation de l'astronome sur cet instrument ? Quel est le coût par personne aux États-Unis ? Votre investissement dans le télescope spatial Hubble en valait-il la peine ?
10. Quelle quantité de lumière supplémentaire le télescope spatial James Webb (avec son miroir de 6 m de diamètre) peut-il recueillir plus de lumière que le télescope spatial Hubble (d'un diamètre de 2,4 m) ?
11. Le miroir de 5 m du télescope Palomar pèse 14,5 tonnes. Si un miroir de 10 m était construit de la même épaisseur que celui de Palomar (mais plus grand), combien pèserait-il ?