NOTIONS D'OPTIQUE
POUR LES ASTRONOMES AMATEURS
Les montures des instruments d’observation astronomique
La qualité de la monture d'un instrument d'observation est au moins aussi importante que la qualité de son optique.
Ce n'est pas seulement la précision des usinages qui fait la qualité de la monture d'un instrument d'observation, c'est aussi tout un ensemble de choix techniques pris lors de sa conception qui conditionneront son efficacité. Nous allons examiner ici les grands principes employés pour la conception de ces montures.
En complément au présent article, je vous propose sur d'autres pages de ce site un exposé sur la conception du système d'entraînement équatorial d'un télescope ainsi que des arguments techniques pour la conception des télescopes.
Afin de pouvoir orienter un instrument d'observation dans toutes les directions, la monture qui le supporte doit être articulée selon deux axes perpendiculaires. Ainsi, il n'y a pas d'angle mort.
En considérant uniquement cet aspect, l'idée qui vient immédiatement à l'esprit consiste à disposer un axe de rotation vertical et un axe de rotation horizontal. Nous concevons ainsi une monture azimutale. L'axe vertical permet une orientation en azimut (c'est à dire en direction) et l'axe horizontal laisse pivoter l'instrument en hauteur.
On peut imaginer une grande variété de montures azimutales.
La figure 1 montre un télescope de Newton disposé sur une monture azimutale. On aura intérêt à adopter une autre disposition pour un télescope de Cassegrain ou bien pour une lunette. Dans ces cas où l'oculaire est disposé à l'extrémité du tube, il sera profitable de décaler le tube sur le côté afin de permettre l'observation près du zénith.
La disposition des axes de rotation est idéale pour concevoir des instruments stables et sans porte-à-faux. Ce type de monture est particulièrement bien adapté pour les observations terrestres.
Par contre pour les observations astronomiques, l'emploi d'une monture azimutale est plus compliqué. En effet, la Terre dans son mouvement de rotation sur elle-même provoque un défilement des astres dans le ciel selon des trajectoires courbes. La figure 2 illustre la trajectoire de la Lune telle que nous l'apercevons depuis la France, elle se lève à l'Est monte dans le ciel en se dirigeant vers le sud puis descend se coucher à l'Ouest. Si on veut l'observer avec une monture azimutale, il faut la suivre en faisant pivoter simultanément les deux axes de rotation.
On souhaite habituellement motoriser la monture des télescopes pour qu'ils suivent automatiquement les astres dans leur mouvement apparent. Si on veut motoriser une monture azimutale pour l'observation astronomique, il faut employer deux moteurs dont les vitesses de rotation seront variables en fonction de l'orientation.
La rotation du champ constitue une autre difficulté. Observons la figure 2, elle montre la Lune à différents moments de la journée. La ligne qui joint les extrémités du croissant est toujours orientée selon l'axe Nord-Sud mais cela correspond à une orientation variable dans l'oculaire de l'instrument. Au lever, la corne supérieure du croissant est à gauche de la corne inférieure et au coucher c'est l'inverse. Cela implique un troisième moteur si on veut faire de la photographie pour faire tourner le capteur d'image pendant la durée de la pose. Cette rotation du champ varie elle-aussi selon la direction de l'astre visé.
Je propose une étude de la rotation de champ sur une page consacrée à la mise en station des instruments d'observation astronomique.
La figure 3 illustre une monture azimutale en place sur le globe terrestre à une latitude moyenne. Pour suivre l'étoile observée pendant la rotation de la terre, cette image aide à comprendre pourquoi il faut faire pivoter les deux axes.
Une autre particularité des montures azimutales est à signaler, il existe une zone autour du zénith où il est très difficile d'observer avec une monture azimutale. Ce serait déjà très délicat de suivre un astre dans son mouvement diurne près du zénith avec une monture azimutale dont les axes seraient parfaitement perpendiculaires mais cette perfection n'existe pas dans la réalité. Par conséquent, cela signifie qu'il existe un "angle mort" autour du zénith provoqué par le défaut de perpendicularité entre les deux axes de rotation et entre l'axe horizontal et l'axe optique. On ne peut donc pas observer dans cette direction. C'est regrettable car c'est près du zénith que l'atmosphère perturbe le moins les images.
Pour les applications astronomiques d'amateur, les montures azimutales sont employées d'une part dans les instruments de faible coût, d'autre part dans des instruments "Hi-tech" dont les mouvements sont gérés par un système informatisé ou encore pour les gros télescopes transportables qui nécessitent une monture compacte et robuste.
Les astronomes professionnels emploient de plus en plus souvent ce type de monture qui leur est imposé par le gigantisme des télescopes modernes. Seules des montures azimutales sont capables de supporter le poids des énormes télescopes comme le futur E-ELT avec ses 39 mètres de diamètre.
Les montures équatoriales
Il est intéressant de remarquer que les inconvénients de la monture azimutale disparaissent si on la place sur un des pôles du globe terrestre. Imaginons un télescope sur sa monture azimutale posé sur le pôle nord de la Terre. En ce lieu, pour suivre un astre dans son mouvement apparent, il suffit de faire pivoter la monture autour de son axe vertical en sens opposé de celui de la Terre car ici la hauteur d'un astre ne change pas au cours de son mouvement apparent dans le ciel. En effet, dans cette circonstance l'axe de rotation de la monture est dans le prolongement de celui de la Terre, ces deux axes sont confondus, un seul mouvement de rotation est nécessaire et il n'y a pas de rotation de champ.
Pour reproduire cette disposition à une latitude quelconque on doit incliner l'axe de rotation principal de la monture pour qu'il fasse un angle avec l'horizontale égal à la latitude du lieu. Ainsi, cet axe est parallèle à celui de la Terre. On peut même raisonner en considérant qu'il est confondu avec celui de la Terre car à l'échelle astronomique notre planète n'est pas bien grosse et l'erreur de parallaxe provoquée par la distance entre ces deux axes est absolument indétectable.
Avant de pouvoir utiliser efficacement une monture équatoriale, il faut orienter correctement son axe de rotation principal, il faut le diriger avec précision sur le pôle céleste visible depuis le lieu d'observation (en France, c'est le pôle céleste nord). C'est pour cela qu'on l'appelle parfois "axe polaire". On le nomme aussi "axe horaire".
Cette procédure de réglage de l'orientation de l'axe polaire s'appelle "mise en station". Sur une autre page de ce site je propose une étude de la mise en station des instruments d'observation astronomique.
La monture à fourche
La conception la plus simple d'une monture équatoriale consiste à prendre la monture azimutale que nous avons imaginée précédemment en inclinant son axe de rotation principal de façon à le rendre parallèle avec l'axe de rotation de la Terre. C'est la monture à fourche qui est illustrée sur les figures 4 et 5.
La monture à fourche peut être légère et elle encombre peu l'environnement de l'instrument. Ce dernier point est particulièrement important pour l'utilisation d'un télescope de Newton car il facilite l'accès à l'oculaire.
Il est envisageable d'utiliser cette monture avec une lunette ou un télescope de n'importe quelle formule.
Les principaux inconvénients de cette disposition viennent de son porte-à-faux qui engendre des flexions et des vibrations. Lors de sa conception, il faudra donc prendre soin à dimensionner généreusement l'axe de rotation ainsi que la partie basse de la fourche.
Quand elle est bien réalisée, cette monture est agréable à employer car elle n'a pas d'angle mort. Elle convient très bien aux petits instruments transportables.
Sur d'autres pages de ce site, nous exposons en détail des montures à fourche de télescopes de fabrication personnelle :
- Monture à fourche du télescope de 150mm TITAN
- Monture à fourche du télescope de 200mm VOYAGER
Dans les observatoires professionnels, les montures à fourches sont souvent dédiées aux télescopes de Schmidt. Voici quelques exemples de télescopes professionnels :
- Télescope de Schmidt "Samuel Oschin" du Mont Palomar
- Télescope de Newton de 80cm de Léon FOUCAULT, c'est le premier "grand télescope" dont le miroir a été réalisé en verre. Il est conservé à l'observatoire de Marseille.
La monture allemande
Avec la monture à fourche que nous venons d'étudier, l'axe optique de l'instrument est dans le même plan que l'axe horaire. Dans le cas de la monture allemande, l'instrument est déporté sur le côté. Un contrepoids disposé de l'autre côté de l'axe horaire est nécessaire pour équilibrer cette disposition comme nous le montre la figure 6.
La monture allemande peut être plus compacte que la monture à fourche mais avec certains instruments (lunettes, télescopes de Cassegrain...) elle doit avoir un socle très haut pour permettre un accès confortable à l'oculaire.
Ce type de monture est assez peu employé avec les télescopes de Newton ou les télescopes de Schmidt mais il est très souvent utilisé pour supporter des lunettes ou des télescopes de Cassegrain (ou Schmidt-Cassegrain).
La monture allemande est peu propice aux instruments transportables surtout lorsqu'on recherche une bonne stabilité.
L'instrument d'une part et le contrepoids d'autre part sont maintenus tous deux en porte-à-faux sur l'axe de déclinaison. C'est une disposition qui est susceptible d'entraîner des flexions et des vibrations. Pour minimiser ce phénomène on prend soin de rapprocher au maximum le tube optique et le contrepoids de l'axe horaire.
Un inconvénient de cette disposition se manifeste dans certaines orientations quand le tube optique vient buter contre le socle de la monture. A ce moment il faut alors procéder au "retournement", c'est à dire qu'il faut faire pivoter chacun des deux axes de 180°. Cette manœuvre transporte le tube optique de l'autre côté du socle.
Notre seul instrument disposé sur une monture allemande est notre coronographe, c'est une lunette de 60mm de diamètre qui est dédiée à l'observation du Soleil.
Les lunettes astronomiques d'amateur ainsi que les télescopes de Cassegrain (ou Schmidt-Cassegrain) sont souvent conçus autour de ce type de monture.
Dans les observatoires professionnels, c'est surtout les lunettes astronomiques qui sont pourvues d'une monture allemande :
- Lunette de l'Observatoire de Yerkes : C'est la plus grande lunette astronomique du monde (D=102cm).
- La lunette de l'Observatoire de Nice : C'est la plus grande lunette astronomique du monde qui est encore en activité (D=76cm).
La monture à berceau
Cette monture a été conçue par Ramsden en 1791 (Jesse Ramsden 1735-1800). On l'appelle parfois "Monture anglaise" mais il me semble que l'usage lui a plutôt consacré le nom de "monture à berceau".
Elle supporte l'instrument dans un cadre fermé qui est articulé sur deux tourillons (Nord et Sud). Cette disposition évite tout porte-à-faux et elle favorise une bonne stabilité de l'instrument.
Des amateurs ont pu fabriquer des montures à berceau très stables avec des moyens limités. Cette monture était particulièrement appréciée des amateurs de photographie astronomique jusqu'aux années 1970.
Cette disposition est très encombrante et elle peut rendre difficile l'accès à l'oculaire dans certaines orientations.
Avec cette monture, il est impossible de viser le pôle mais ce n'est pas un grave inconvénient puisqu'on observe très rarement dans cette direction.
Les montures à berceau ne sont pas adaptées pour constituer des instruments transportables et elles ont rarement été employées avec des lunettes astronomiques.
Aujourd'hui les astronomes amateurs ou professionnels emploient peu cette formule mais dans le passé elle a supporté certains des télescopes les plus célèbres.
Exemples :
- - Télescope Hooker de 2,50m (100 pouces) de l'observatoire du Mont Wilson.
- Equatorial de la carte du ciel.
La monture anglaise simple
Comme c'est déjà le cas avec la monture à berceau, l'axe horaire de la monture anglaise simple (communément appelée "monture anglaise") est maintenu par des paliers à ses deux extrémités.
Cet axe horaire n'est donc pas en porte-à-faux mais c'est l'axe de déclinaison qui est doublement en porte-à-faux comme celui de la monture allemande.
Quand les axes sont copieusement dimensionnés, on obtient une monture stable, lourde et encombrante. S'il est bien conçu, le contrepoids n'entretient pas les vibrations.
Cette disposition est très encombrante et elle peut rendre difficile l'accès à l'oculaire dans certaines orientations.
La fixation du tube sur l'axe de déclinaison présente une difficulté particulière car elle est en porte-à-faux et elle doit pourtant être très rigide. C'est un point délicat lors de la conception d'une telle monture.
La monture anglaise permet de viser le pôle.
Les montures anglaises ne sont pas adaptées pour constituer des instruments transportables ou pour supporter les lunettes astronomiques.
Aujourd'hui les astronomes amateurs ou professionnels emploient peu cette formule.
Voici quelques exemples d'instruments portés par une monture anglaise :
- - Télescope de 193cm de l'Observatoire de Haute Provence.
- Télescope de 120cm de l'Observatoire de Haute Provence. On dirait un gros télescope d'amateur...
- Télescope de 80cm de l'Observatoire de Haute Provence.
La monture en fer à cheval
La monture en fer à cheval est inspirée de la monture à berceau dont une extrémité du cadre est définie selon la forme d'un fer à cheval. Cette dernière partie repose sur un chemin de roulement comme l'illustre la figure 10.
C'est une disposition qui permet de viser le pôle.
Cette monture ne possède pas de structure en porte-à-faux ni de contrepoids, elle est très stable.
La structure en fer à cheval peut être rapprochée de l'axe de déclinaison afin d'obtenir une disposition compacte.
C'est initialement le célèbre télescope de 5m du Mont Palomar qui a fait connaître ce type de monture. Le fer à cheval de ce télescope mythique glisse sur un film d'huile sous pression.
Les grands télescopes construits vers la fin du vingtième siècle ont souvent été pourvus d'une monture en fer à cheval quand leur gigantisme ne leur imposait pas une monture azimutale.
Cette monture ne permet pas le "retournement" qui est parfois souhaitable pour accéder confortablement à l'oculaire. Ceci peut constituer un sévère inconvénient pour l'usage d'un amateur.
Cette monture n'est pas envisageable pour supporter une lunette astronomique. Elle ne convient pas non plus pour réaliser un télescope transportable.
Il faut remarquer que les constructeurs de télescopes amateurs emploient rarement cette solution.
Voici quelques exemples d'instruments montés sur une monture en fer à cheval :
- - Télescope Hale de 5m (200 pouces) de l'Observatoire du Mont Palomar.
- Le Télescope Bernard Lyot de 2m de l’Observatoire du Pic du Midi.
- Télescope de 3,60m de l'ESO à l'observatoire européen de La Silla au Chili. Sur cet instrument, la forme en fer à cheval est placée entre l'axe de déclinaison et le palier inférieur. Par cet aspect, sa monture ressemble à une monture à fourche.
- Télescope d'amateur de 400mm avec monture à fer à cheval : C'est la remarquable réalisation de Marc Durey.