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100 ans d’Astrophotographie

L’astronomie, riche d’une histoire de plus de 5000 ans, est l’une des sciences les plus anciennes. Elle a souvent été liée à la religion. Durant plusieurs millénaires elle a été associée à l’astrologie. Au XVIIIème, les Lumières ont marqué la séparation des deux disciplines.

Le Deep Space, ou tout simplement l’espace, est l’étendue qui existe entre les objets célestes (aussi appelés corps célestes en référence au latin corpus caelaste). Son exploration physique commence au XXème siècle avec l’utilisation de ballons et se poursuit au cours de la course à l’espace opposant USA et URSS. La découverte de l’espace, au sens où nous le concevons actuellement, a été l’affaire de multiples tâtonnements.

Au néolithique (de 9 000 à 3300 avant J.-C.) la plupart des sites mégalithiques monumentaux étaient des observatoires. C’est le cas de Zorats Karer, Nabta Playa ou encore Stonehenge. L’astronomie a fasciné de nombreuses civilisations. Elle est très étudiée par les Mayas. Au Moyen-Âge se sont les astronomes arabes et persans qui la développent. Les connaissances en astronomie sont alors indispensables pour naviguer ou s’orienter dans les déserts.

Déjà au IVème siècle avant Jésus-Christ, Aristote s’appuie sur les enseignements de Parménide pour expliquer que la nature a horreur du vide. Au IIème siècle l’astronome chinois Zhang Heng est convaincu de son caractère infini. L’espace est perçu comme vide. Puis les travaux de Copernic, Galilée et Pascal et de leurs successeurs ont permis de mieux comprendre son fonctionnement.

L’époque contemporaine montre l’existence des étoiles comme des objets lointains. On découvre également l’expansion de l’univers. La photographie permet à l’astronomie d’être beaucoup plus précise. Dès 1870 l’astronome Hervé FAYE (1814-1902) la préfère au dessin. La fin du XIXème et le XXème siècle voient donc l’astrophotographie supplanter les autres médiums de représentation. C’est d’ailleurs à partir d’une photographie qu’en 1923 Edwin HUBBLE (1889-1953) détermina l’expansion de l’Univers.

Les pléiades

Les pléiades

Marcel de Kerolyr - Novembre 1932
Nébuleuse du Têtard

Nébuleuse du Têtard

Marcel de Kerolyr - 1933
Nébuleuse North America

Nébuleuse North America

Anonyme - c. 1920
Le Mur du Cygne

Le Mur du Cygne

Anonyme - 1910
Nébuleuse en Spirale

Nébuleuse en Spirale

Anonyme - 1920
Éclipse Solaire Totale

Éclipse Solaire Totale

Anonyme - 30 Juin 1973
Saturne

Saturne

c. 1979
Saturne

Saturne

c. 1979

Les prémices de l’Astrophotographie

L’intérêt que représentait la photographie pour l’astronomie fut compris dès ses débuts. Le daguerréotype, inventé en 1839, fut largement soutenu par François ARAGO (1786-1853), astronome et homme d’État français, il était alors directeur des observations à l’observatoire de Paris et membre de l’Académie des Sciences. Il vit immédiatement le potentiel de la photographie dans le domaine des sciences, permettant d’enregistrer des observations pour les exploiter ensuite. Sa prise de position en faveur du procédé de DAGUERRE conduit l’État à en acheter le brevet et à l’offrir au monde.

En mars de l’année suivante, l’anglo-américain John William DRAPER (1811-1882) réalisa une des premières photographies de la Lune, et probablement la première qui montrait autant de détails. Draper est d’ailleurs reconnu comme le premier astrophotographe. La première photographie stellaire fut réalisée 10 ans plus tard, en 1850, à l’Université d’Harvard, à l’initiative de William Cranch BOND (1789-1859), George Phillips BOND (1825-1865) et de John Adams WHIPPLE (1822-1891). La technique limitait alors prises de vues, en particulier en raison des temps de pose nécessairement long. Il fallait alors compenser le mouvement de rotation de la Terre en décalant le support photosensible. La durée d’exposition était un véritable défi aux débuts de l’astrophotographie. Elle devint par la suite un atout, permettant d’enregistrer des émanations lumineuses très faibles et imperceptibles pour l’œil humain, même équipé de télescopes.

De nombreux astronomes mirent par la suite la photographie au service de la science. Nous pouvons citer les Français Maurice LOEWY (1833-1907), Pierre Henri PUISEUX (1855-1928) et Jules JANSSEN (1824-1907), qui contribuèrent au développement de l’astrophotographie. Les deux premiers sont célèbres pour leurs photographies de la Lune, tandis que Jules JANSSEN réalisa des photographies de comète et de la surface du Soleil. À la même époque l’américain Sherburne Wesley BURNHAM (1838-1921) cartographiait les surfaces de Mars et de la Lune.

En 1887 un projet de Carte du Ciel vit le jour. C’est sous l’impulsion des frères Henry, célèbres astronomes français, que le directeur de l’Observatoire de Paris : Ernest Amédée MOUCHEZ (1821-1892) lança ce projet de longue haleine. L’Observatoire de Paris parvint à fédérer 17 autres observatoires mondiaux autour de ce projet. La carte photographique devait permettre de recenser les étoiles de la voûte céleste, soit plus de 10 millions. Chaque observatoire couvrait par ses observations une petite partie du ciel. Le catalogue fut pour l’essentiel achevé en 1958.

Carte photographique du Ciel, Planche n°118

Carte photographique du Ciel, Planche n°118

Observatoire Royal de Belgique - 1900
Carte photographique du Ciel, Planche n°144

Carte photographique du Ciel, Planche n°144

Observatoire Royal de Belgique - 1900
La comète Morehouse

La comète Morehouse

Anonyme - 1908
Nébuleuse en Spirale

Nébuleuse en Spirale

Lick Observatory - c. 1910

Les photographies du Mont Wilson

L’Observatoire du Mont Wilson (Mount Wilson Observatory, parfois abrégé MWO) se situe au Nord-Est de Los Angeles. Le site profitait de conditions météorologiques idéales, ce qui conduisit à l’édification d’un premier observatoire dès 1889. Cependant, les rudes conditions climatiques entraînèrent rapidement son abandon. Il fallut attendre 1904 et le patronage de George Ellery HALE (1868-1938) pour que l’Observatoire actuel soit édifié.

George Ellery HALE reçut un miroir de 1,5 mètre, fabriqué en France à Saint-Gobain, qui servit à l’assemblage du télescope. Sa mise en service eu lieu le 8 décembre 1908, il s’agissait alors du plus grand télescope au monde. Cet instrument révolutionnaire propulsa l’astronomie dans une nouvelle ère, offrant d’importantes avancées. Le télescope est également célèbre pour les photographies de nébuleuses qu’il permit. Il ne sert désormais plus aux mesures scientifiques mais reste accessible au public.

HALE entreprit la mise en place d’un second télescope dès 1908 grâce aux fonds de la fondation Carnegie et du philanthrope John Daggett HOOKER (1838-1911). De dimensions impressionnantes, 2,5 mètres de diamètre, le miroir fut une nouvelle fois construit par Saint-Gobain. Le télescope Hooker, du nom du principal donateur, fut mis en service le 1er novembre 1917. Il fut équipé en 1919 d’un interféromètre optique, instrument exploitant les interférences intervenant entre les ondes développé par le prix Nobel de physique Albert Abraham MICHELSON. Cet ajout autorisa des mesures plus précises de la distance et de la taille des étoiles.

C’est à partir des mesures et des photographies réalisées à partir de ce second télescope qu’Edwin HUBBLE (1889-1953) prouva que la galaxie d’Andromède se trouvait en dehors de la Voie Lactée en 1923. Plus tard, en 1929, il démontra l’expansion de l’Univers à partir des données collectées par ce même télescope. Parmi les grandes découvertes réalisées par l’Observatoire du Mont Wilson nous pouvons également citer la découverte de preuves de l’existence de la matière noire par Fritz SWICKY en 1933, ou encore la découverte de deux satellites de Jupiter par Seth NICKOLSON en 1938.

Nébuleuse Tête de Cheval

Nébuleuse Tête de Cheval

Mount Wilson Observatory - 13 Novembre 1920
Nébuleuse dans la Constellation du Cygne

Nébuleuse dans la Constellation du Cygne

Mount Wilson Observatory - c. 1950
Oméga Sagittarii

Oméga Sagittarii

Mount Wilson Observatory - 29 Juillet 1929
Nébuleuse de la lagune

Nébuleuse de la lagune

Mount Wilson Observatory - 11 Juillet 1931
Nébuleuse de la lagune (NGC 6523)

Nébuleuse de la lagune (NGC 6523)

Mount Wilson Observatory - 27 Juin 1919
Nébuleuse Trifide

Nébuleuse Trifide

Mount Wilson Observatory - c. 1920
Andromède

Andromède

Mount Wilson Observatory - 24 Août 1925
Galaxie du Triangle

Galaxie du Triangle

Mount Wilson Observatory - Août 1910
Galaxie d’Andromède

Galaxie d’Andromède

Mount Wilson Observatory - c. 1950

Hubble calcule l’expansion de l’Univers

Edwin HUBBLE parvint à calculer le taux d’expansion de l’Univers à partir d’observations enregistrées par l’astrophotographie. Edwin HUBBLE a commencé à travailler à l’Observatoire du Mont Wilson en 1919, soit peu de temps après la mise en fonction du télescope Hooker qui était alors le plus grand au monde. Ses observations réalisées entre 1922 et 1924 permirent d’établir que l’Univers s’étendait au-delà de la Voie Lactée. Il identifia la présence de céphéides, des étoiles géante ou supergéante dont la luminosité varie dans des nébuleuses en spirale relativement proches. C’est par exemple le cas de la Galaxie d’Andromède (Messier 31) et de la Galaxie du Triangle (Messier 33).

Ainsi, entre 1922 et 1936 Edwin HUBBLE résolut quelques-unes des grandes questions de la cosmologie, parmi lesquelles la vitesse d’expansion de l’Univers. En observant les variations de luminosité des céphéides il parvint à déterminer la vitesse de fuite de ces galaxies. Par ses observations HUBBLE put établir que les galaxies s’éloignaient, et ce de façon proportionnelle à leur éloignement. C’est en 1929 qu’il publia ce qui est désormais appelée la Loi de Hubble. Cette loi est la première preuve de l’expansion de l’Univers.

C’est à partir d’observations empiriques qu’Edwin HUBBLE effectua ses calculs. Une photographie en particulier, prise à l’observatoire du Mont Wilson et tirée en négatif, montre ce travail de calculs et les annotations d’HUBBLE. Ci-dessous, nous pouvons voir la photographie de la Galaxie de Barnard annotée par HUBBLE et à côté la même tirée en positif.

Galaxie de Barnard

Galaxie de Barnard

Mount Wilson & Palomar Observatories - 1910

Les télescopes révolutionnaires de Palomar

L’Observatoire Palomar se trouve près de San Diego en Californie. Le projet de construction d’un observatoire fut lancé en 1928 par le California Institute of Technology (Caltech) grâce au financement de la Fondation Rockefeller. Le site du Mont Palomar fut choisi en 1934. La seconde Guerre Mondiale reporta sa mise en service à 1949. Successeur de l’Observatoire du Mont Wilson, il fut équipé du plus grand télescope et conserva se statut jusqu’en 1976. Ce télescope de 5,08 mètres fut baptisé « Hale » en l’honneur de l’astronome George Ellery HALE, célèbre astronome responsable de la création de l’Observatoire du Mont Wilson et instigateur de l’Observatoire du Mont Palomar. Les deux institutions étaient d’ailleurs liées pendant longtemps. Ils étaient gérés conjointement avant d’être séparés en 1980.

Palomar Observatory

En plus du télescope Hale d’autres, plus petits, ont été installés, dont un de 122 cm (48 inch) en 1948, baptisé plus tard Schmidt en l’honneur de Maarten SCHMIDT (1929-), et un de 152,4 cm de diamètre (60 inch) en 1970. L’Observatoire Palomar dispose de nombreux autres instruments qui ont été améliorés au fur et à mesure de l’évolution des techniques. Il reste un des lieux les plus importants pour l’étude des astres.

Outre les multiples découvertes permises par l’Observatoire Palomar, une campagne de photographies débuta en 1949. Elles furent réalisées à partir du télescope Schmidt puis publiées en 1958 dans le National Geographic. Cette étude est appelée NGS-POSS (National Geographic Society – Palomar Observatory Sky Survey), par la suite les images furent utilisées dans de nombreux catalogues astronomiques. Un grand nombre de découvertes furent réalisées en travaillant à partir des photographies obtenues lors de cette étude.

Grande Galaxie Spirale Barrée

Grande Galaxie Spirale Barrée

Mount Wilson & Palomar Observatories - c. 1950
Voie Lactée (In Cygnus)

Voie Lactée (In Cygnus)

Mount Wilson & Palomar Observatories - c. 1950
Voie Lactée et Nébuleuse de la Rosette

Voie Lactée et Nébuleuse de la Rosette

Mount Wilson & Palomar Observatories - c. 1950
Voie Lactée

Voie Lactée

Mount Wilson & Palomar Observatories - c. 1950
NGC 5364 - Galaxie en spirale de grand style

NGC 5364 - Galaxie en spirale de grand style

Mount Wilson & Palomar Observatories - 1950

L’astrophotographie depuis la fin des années 1970

Depuis la fin des années 1970 l’importance de la photographie argentique diminue dans le domaine de la recherche astronomique. On lui préfère peu à peu les capteurs DTC (Dispositifs à Transfert de Charge). Ce type de capteur est à l’origine de la photographie numérique. Dès la fin des années 1970 il présente un avantage sur la photographie argentique : il peut capter des lumières beaucoup plus faibles. Les images n’ont pas besoin d’être tirées sur papier pour être étudiées ou agrandies, il y a donc pas de perte d’information.

De plus, l’apparition au XXe siècle des radiotélescopes et de la radioastronomie conduit à de nouvelles mesures sur les corps célestes. L’analyse spectroscopique des émissions atomiques et de leurs différents isotopes lors des sauts quantiques devient possible. Un saut quantique est un changement qui se produit dans l’atome même, au niveau des électrons. Ils sont à l’origine des émissions électromagnétiques, dont la lumière. Les changements d’état des atomes deviennent identifiables, faisant entrer l’astronomie dans une nouvelle ère.

Young B Type Star

Young B Type Star

ESA ESTEC - 1987
Hot Star

Hot Star

ESA ESTEC - 1987
Galaxie de Seyfert

Galaxie de Seyfert

ESA ESTEC - 1987
Émetteur Lyman-alpha

Émetteur Lyman-alpha

ESA ESTEC - 1987
Éruption solaire

Éruption solaire

Parkes Observatory - c. 1970