Mieux voir les étoiles

Daniel Bonneau

Description

En parcourant ces pages le lecteur, curieux de sciences et plus particulièrement d’astronomie, mesurera le chemin parcouru pour qu’en ce début du XXIe siècle, l’interférométrie optique soit devenue un outil incontournable de l’astrophysique aux côtés de la photométrie et de la spectroscopie.

Cet ouvrage évoque les années durant lesquelles ont été réalisées les premières applications aux observations astronomiques de l’interférométrie optique, à travers les hommes qui s’y sont impliqués, les instruments qu’ils ont mis en oeuvre et les résultats qu’ils ont obtenus.

Ce livre résulte d’un projet de mise en forme d’éléments constitués au fil des années, à l’occasion de travaux dédiés à l’étude des étoiles évoluées et des étoiles binaires, au moyen d’observations par interférométrie des tavelures ou interférométrie à longue base ainsi que dans le cadre d’enseignements, de conférences grand-public et des présentations faites à la commission des étoiles doubles de la Société Astronomique de France.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Astronomie et astrophysique
• Histoire des sciences
• Astronomie
• Science
• Astrophysique
• Astronomy
• Sciences et techniques
• Space Science

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 26 septembre 2019
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759824069
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

MIEUX VOIR LES ÉTOILES

DANIEL BONNEAU

constitués au Il des années, à l’occasion de travaux

consacrer à l’astrophysique à la In de ses études à

efectuée à l’observatoire de Meudon sous la direction

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ER I SIÈCLE DE L’INTERFÉROMÉTRIE OPTIQUE

DAINIEL BONNEAU ER SIÈCLE DE L’INTERFÉROMÉTRIE OPTIQUE

DANIEL BONNEAU

PRÉFACE DE PIERRE LÉNA

MIEUX VOIR LES ÉTOILES

DANIEL BONNEAU

N parcourant ces pages le lecteur, curieux de sciences et plus particulièrement d’astronomie, du E  XXI e l’ siècle, interférométrie optiquedevenue soit mesurera le chemin parcouru pour qu’en ce début un outil incontournable de l’astrophysique aux côtés de la photométrie et de la spectroscopie.

Cet ouvrage évoque les années durant lesquelles ont été réalisées les premières applications aux observations astronomiques de l’interférométrie optique, à travers les hommes qui s’y sont impliqués, les instruments qu’ils ont mis en œuvre et les résultats qu’ils ont obtenus.

Ce livre résulte d’un projet de mise en forme d’éléments constitués au Il des années, à l’occasion de travaux dédiés à l’étude des étoiles évoluées et des étoiles binaires, au moyen d’observations parinterférométrie des taveluresouinterférométrie à longue baseainsi que dans le cadre d’enseignements, de conférences grand- public et des présentations faites à la commission des étoiles doubles de la Société Astronomique de France.

L’auteur,Daniel Bonneau, est Astronome honoraire à l’observatoire de la Côte d’Azur. Ayant choisi de se consacrer à l’astrophysique à la In de ses études à l’université de Bordeaux I, sa thèse de troisième cycle efectuée à l’observatoire de Meudon sous la direction d’Antoine Labeyrie, l’a amené à participer, depuis 1972, à l’aventure humaine et technique de la renaissance puis des développements de l’interférométrie optique e durant le dernier quart du XX siècle.

Prix : 29 € ISBN : 978-2-7598-2362-8

www.edpsciences.org

ER I SIÈCLE DE L’INTERFÉROMÉTRIE OPTIQUE

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ER I SIÈCLE DE L’INTERFÉROMÉTRIE OPTIQUE

DAINIEL BONNEAU ER SIÈCLE DE L’INTERFÉROMÉTRIE OPTIQUE

DANIEL BONNEAU

Mieux voir les étoiles

er 1 siècle de l’interférométrie optique

Daniel Bonneau Astronome honoraire à l’observatoire de la Côte d’Azur

17, avenue du Hoggar Parc d’Activité de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

« Sciences & Histoire »

La collection Sciences & Histoire s’adresse à un public curieux de sciences. Sous la forme d’un récit ou d’une biographie, chaque volume propose un bilan des progrès d’un champ scientifique, durant une période donnée. Les sciences sont mises en perspective, à travers l’histoire des avancées théo- riques et techniques et l’histoire des personnages qui en sont les initiateurs.

Imprimé en France ISBN (papier) : 978-2-7598-2362-8 – ISBN (ebook) : 978-2-7598-2406-9

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des ali- néas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consen- er tement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

© EDP Sciences 2019

Table des matières

Préfaceiii Introductionv Chapitre 1.L’expérience des « fentes de Young », naissance de l’interférométrie1 Chapitre 2. Une idée : utiliser l’interférométrie pour mesurer le diamètre des étoiles5 Chapitre 3. Les pionniers de l’interférométrie en astronomie9 3.1. 1873 : première tentative selon Fizeau 9 3.2. 1891 : premières mesures interférométriques 12 3.3. 1895 : premières mesures d’étoiles doubles, 1895 17 3.4. 1898 : première mesure du diamètre d’un astéroïde 22 Chapitre 4. Premières mesures des diamètres stellaires par la méthode interférométrique27 4.1. L’interféromètre de 20 pieds et les premières mesures de diamètres stellaires 29 4.2. L’interféromètre de 50 pieds et l’arrêt des observations interférométriques 37 Chapitre 5. Des interféromètres dédiés à la mesure des étoiles doubles43 5.1. Invention de l’interféromètre à rotation par John August Anderson 45 5.2. 1922-1926 : Mentore Maggini, un interférométriste italien 51 5.3. 1925 : le micromètre interférentiel à réseau de Ronchi 56 5.4. 1928 : Albert F. Brown et Harold J. Hoxie, premiers interférométristes amateurs 63 5.5. 1933-1939 : le micromètre interférentiel d’André Danjon 66 5.6. 1933-1969 : William Finsen, le premier interférométriste de l’hémisphère Sud 75

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5.7. 1933-1952 : Willem H. van den Bos, un observateur critique 84 5.8. 1934-1971 : Raymond Hiram Wilson Jr. 86 5.9. 1939-1945 : Hamilton Moore Jeffers 95 5.10. 1951 : l’interféromètre achromatique de William Merz Sinton 99 Chapitre 6. Renaissance de l’interférométrie stellaire107 6.1. 1963 : une autre voie pour l’interférométrie optique, l’interféromètre d’intensité de Narrabri 108 6.2. 1969 : l’interféromètre à superposition de rayons de l’observatoire de Poulkovo 115 6.3. 1970 : l’interféromètre quantitatif d’Elliot et Glass 118 6.4. 1970 : l’interférométrie des tavelures ou comment vaincre la turbulence atmosphérique 126 6.5. 1971 : l’interféromètre d’amplitude de Currie 135 6.6. 1971 : l’interféromètre automatique de William Castles Wickes 142 6.7. 1974 : le premier interféromètre optique à deux télescopes 151 Chapitre 7. De l’interféromètre de Labeyrie à la synthèse d’ouverture optique157 7.1. La renaissance de l’interférométrie optique à longue base à l’observatoire de Calern 158 7.2. Les développements de l’interférométrie à longue base à travers le monde 163 7.3. Vers la synthèse d’ouverture aux longueurs d’onde optiques 170

En guise de conclusion Remerciements

195 199

Préface

L’ouvrage que publie Daniel Bonneau et dont il me fait l’honneur d’une préface est unique en son genre. Nul n’a encore présenté de façon aussi complète, avec une telle rigueur et autant de précision, le déroulement du récit historique et scientifique qui est l’objet de ce livre. Lorsqu’en 1802, le jeune Thomas Young entre dans l’histoire de la physique par l’expérience célèbre qui porte désormais son nom et qui révolutionne la conception de la lumière, il ne se doute pas de l’impact qu’aura son coup de génie sur le développement de l’astronomie. Galilée avait pu observer les taches à la surface de notre étoile le Soleil, mais faire de même pour les étoiles du ciel, ces minuscules « points géométriques », semblait à tout jamais demeurer un rêve. Ce rêve n’a pris corps e qu’à la fin dusiècle, il s’épanouit aujourd’hui dans les plus grands observatoires du monde, tel leVery Large Telescopeeuropéen dans le désert d’Atacama au Chili ou sur les pentes du mont Wilson au-dessus de Los Angeles. Des découvertes majeures résultent de cette conquête, un trou noir massif au centre de la Galaxie se laisse approcher jusqu’à son horizon, des exoplanètes se révèlent avec une précision extrême, les étoiles ont des taches, à l’instar du Soleil. Daniel Bonneau, astronome à l’observatoire de Paris puis de la Côte d’Azur pendant la plus grande partie de sa carrière, rejoignait en 1972 Antoine Labeyrie le visionnaire, dont il demeura l’un des plus fidèles collaborateurs sur le plateau de Calern, près de Grasse. Là naquit l’aventure interférométrique moderne, aux longueurs d’onde qui sont celles de la lumière perçue par l’œil humain. L’auteur parle ici en physicien, rompu aux techniques qu’il a mises au point et utilisées, allant du bricolage le plus intelligent aux technologies les plus avancées. Il s’exprime également en astronome qui, lors de longues nuits sous le ciel provençal, fut parmi les premiers, tout jeune chercheur encore travaillant sur le premier interféromètre à deux télescopes, à « mieux voir les étoiles », un titre trop modeste pour l’histoire d’une percée scientifique considérable. Attentif aux développements nouveaux, présent à tous les grands colloques qui ont vu les astro- nomes s’affronter sur la pertinence de ces nouveaux concepts et sur les instruments à décider, auteur de nombreuses publications, Daniel fut pendant ce demi-siècle l’un des piliers d’une communauté française qui n’a cessé de se développer et d’interagir avec les astronomes du monde entier. La science ne connaît pas de frontières et cela en fait l’universalité si précieuse. Pourtant, chaque culture, chaque tradition y apporte sa marque propre. Ainsi, depuis deux siècles au moins, la compréhension de ce phénomène subtil qu’est la lumière et la maîtrise de l’optique qui la manipule ont fondé en France une tradition durable et féconde, dont ce récit témoigne. Après l’entrée en scène de Thomas Young, Hippolyte Fizeau est, cinquante ans plus tard, le père fondateur de tout ce qui va suivre. Un siècle encore et Antoine Labeyrie, avec Daniel Bonneau et ses collègues, porte au plus haut cette tradition, provoquant en 1975 la renaissance de l’interférométrie optique, puis sa féconde maturation. Pour paraphraser Paul Valéry et Hubert Reeves, s’il a fallu

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beaucoup depatience dans l’azurpendant ces deux siècles, ce qui en découle aujourd’hui estla chance d’un fruit mûr. Les noms de Young, de Fizeau et de Michelson sont fami- liers à tout jeune étudiant du domaine. Mais ici, l’auteur, avec une rigueur historique exceptionnelle, publie pour la première fois ce que beaucoup ignorent : tous les efforts, le plus souvent obscurs, qui ont marqué la longue période séparant les travaux d’Albert Michelson (jusque 1820) de la renaissance de 1975 avec Antoine Labeyrie. Il s’agit là d’une contribution de grande qualité à l’histoire des techniques astronomiques, qui aidera à méditer sur la façon laborieuse et souterraine dont progressent les idées et leur mise en œuvre concrète. Avant que les décennies à venir ne voient de nouveaux déploiements, il était temps er d’écrire cette histoire du « 1 siècle », illustrée par des documents originaux ou diffici- lement accessibles. Le programme fascinant de demain n’est plus tant de « mieux voir les étoiles » en révélant les détails de leur surface, il est aussi de « mieux voir les exo- planètes » en cartographiant leurs continents et leurs atmosphères. Immense tâche qui reposera à coup sûr sur l’interférométrie optique, au sol puis un jour dans l’espace. Cette tâche s’appuiera sur une tradition et une expertise, si présente en France, qu’illustre à merveille le récit offert par Daniel Bonneau.

Pierre Léna, membre de l’Académie des sciences

Introduction

L’étude des propriétés physiques des étoiles repose essentiellement sur la confrontation entre les valeurs des paramètres physiques (température, composition chimique, masse, rayon), déterminées à partir des observations, et celles prédites par les théories astro- physiques décrivant la formation, la structure et l’évolution des étoiles. Les deux pre- miers paramètres sont produits par la spectroscopie et la photométrie, des techniques e connues depuis la fin dusiècle. Les deux derniers paramètres peuvent être déduits, en principe, de mesures obtenues par des observations astrométriques à haute résolu- tion angulaire, mais celles-ci sont très sévèrement limitées par les effets de la turbulence atmosphérique qui agite et étale l’image formée au foyer du télescope. Ainsi, alors qu’en théorie, des détails aussi fins qu’une fraction de seconde de degré devaient être visibles dans les images fournies par les grands télescopes optiques, la résolution angulaire de ″ ces télescopes est longtemps restée limitée à des valeurs de l’ordre de 1 . Cette difficulté a finalement été surmontée par l’emploi d’instruments appelésinterféromètres. e Au début dusiècle, les premiers concepts de l’interférométrie optique sont mis en place par le physicien anglais Thomas Young. Cinquante ans plus tard, le physicien fran- çais Fizeau propose les premières idées pour l’emploi de l’interférométrie à la mesure des étoiles, suivi des premières expériences réalisées par Édouard Stephan à l’observatoire de Marseille. Les premières mesures interférométriques seront faites durant la dernière décennie d’abord par les physiciens Albert Michelson à l’observatoire de Lick, puis Karl Schwarzschild à l’observatoire de Munich et Maurice Hamy à l’observatoire de Paris. La mesure du diamètre des étoiles est l’objectif des mesures interférométriques, énoncé par Fizeau puis poursuivi par Michelson. Ce but est atteint en 1920 avec la pre- mière mesure du diamètre angulaire de Bételgeuse effectuée par Francis Pease au moyen de l’interféromètre stellaire conçu par Albert Michelson et installé sur le télescope de 2,5 m de diamètre de l’observatoire du mont Wilson. Ce premier succès sera suivi des mesures de quelques étoiles géantes rouges effectuées par Francis Pease jusqu’en 1937 au moyen de son interféromètre de 15 m, installé également au mont Wilson. L’arrêt de l’exploitation de cet instrument marquera la fin de cette période des pionniers de l’inter- férométrie stellaire. Nous verrons qu’entre les années 1920 et 1970, à la suite de l’invention del’interfé- romètre oculairepar John Augustus Anderson, la méthode interférométrique continuera toutefois à être utilisée par quelques astronomes pour la mesure des étoiles doubles. Il s’agit notamment de Mentore Maggini en Italie, William Finsen en Afrique du Sud et Raymond Wilson Jr et Hamilton Jeffers aux États-Unis. Ces observateurs utiliseront des instruments désignés sous l’appellation d’interféromètreoculaire, à la suite des travaux menés par John Anderson au télescope de 2,5 m du mont Wilson en 1920. Il a fallu attendre la fin des années 1950 pour que renaisse l’intérêt des astronomes pour l’interférométrie optique à grande base. Mais ce fut, à partir de 1956, au moyen d’une technique dérivée de la radioastronomie, avec l’invention par Robert Hanbury Brown

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et Richard Twiss de l’interférométrie d’intensité et la construction de l’interféromètre de Narrabri en Australie. Dans les années 1960, les progrès réalisés dans les domaines de l’électronique et des détecteurs photoélectriques ont rendu envisageable la conception de nouveaux interfé- romètres stellaires, dans lesquels la détection des franges ne se fait plus visuellement, et qui contribuent à la renaissance de l’interférométrie stellaire selon Fizeau et Michelson. Il s’agit de l’interféromètre de type Michelson à superposition de rayons de l’observa- toire de Poulkovo d’Eugène Kulagin et Vladimir Linnik (1969) et des interféromètres de type Fizeau utilisant la détection photométrique des franges d’interférence, comme ceux construits et utilisés par James Elliot et Ian Glass (1970), Douglas Currie (1971) et Williams Wickes (1971). Une nouvelle ère s’ouvre à partir de l’année 1970 avec l’invention par A. Labeyrie de l’interférométrie des tavelures. Celle-ci permet d’atteindre le pouvoir de résolution théo- rique des télescopes aux longueurs d’onde du visible et l’infrarouge, malgré la dégrada- tion des images par la turbulence atmosphérique. En 1974, le succès de la première expérience d’interférométrie stellaire à deux téles- copes indépendants réalisée en juillet 1974 à Nice par Antoine Labeyrie peut être consi- déré comme l’élément déclencheur des développements modernes de l’interférométrie e optique à longue basedurant les dernières décennies dusiècle. Des résolutions angulaires 10 à 20 fois plus importantes ont été atteintes grâce à l’utilisation des interféromètres stellaires à grande base (I2T, GI2T, Mark III, PTI, SUSI, e ISI) conçus durant le dernier quart duC’est durant la dernière décennie de siècle. ce siècle qu’ont été produites les premières images d’étoiles à haute résolution angu- laire obtenues par synthèse d’ouverture au moyen de réseaux de télescopes optiques (COAST, NPOI, IOTA) observant en lumière visible et infrarouge. Ces instruments ont ouvert la voie aux grands interféromètres comme le VLTI ou le réseau CHARA, conçu comme des réseaux de télescopes travaillant en synthèse d’ouverture. Ainsi, à l’aube du e siècle, on peut considérer que l’interférométrie stellaire est devenue un outil incon- 1,2,3,4 tournable de l’astrophysique aux côtés de la photométrie et de la spectroscopie . Dans les pages qui suivent, je n’ai pas voulu écrire un manuel sur l’interférométrie optique, mais plutôt évoquer les 175 années durant lesquelles ont été tentées les pre- mières applications aux observations astronomiques de laméthode interférométrique, à travers les hommes impliqués, les instruments qu’ils ont mis en œuvre et les résultats qu’ils ont obtenus.

1 Principles of Long Baseline Stellar Interferometry,Peter R. Lawson, 2000, NASA – JPL Publications 00-009 07/00. 2  « Optical Interferometry inAstronomy », John D. Monnier, 2003,Reports on Progress in Physics, vol. 66, p. 789. 3 An Introduction to Optical Stellar Interferometry, Antoine Labeyrie, Stephen G. Lipson et Peter Nisenson, 2006, Cambridge University Press. 4 What the Highest Angular Resolution Can Bring to Stellar Astrophysics?, The 2013 VLTI School, Florentin Millour, Andrea Chiavassa, Lionel Bigot, Olivier Chesneau, Anthony Meilland et Philippe Stee, 2015, EAS Publication Series, volumes 69-70.