Sur les photos, les étoiles sont souvent entourées de pointes rayonnantes – et c’est aussi l’impression que l’on peut avoir à l’œil nu. Bien que leur surface soit turbulente, les étoiles sont essentiellement des sphères de gaz chaud. Les dentelures observées sont dues à différents effets optiques.
Notre Soleil apparaît dans le ciel comme un disque presque circulaire et il en serait de même pour toutes les autres étoiles. En raison de leur grande distance, elles ne peuvent toutefois être observées dans le ciel nocturne que sous forme de points lumineux. Du moins en théorie, car dans la pratique, la vision des étoiles est souvent faussée par différents effets optiques.
Avant que la lumière des étoiles n’atteigne nos yeux ou un télescope, elle doit bien sûr traverser l’atmosphère terrestre. Le long du trajet de la lumière, la température et la pression varient – non seulement en fonction de l’altitude, mais elles peuvent aussi changer rapidement pendant l’observation. Cela influence l’indice de réfraction et donc les propriétés optiques de l’air.
Les conséquences de cette « agitation de l’air » sont visibles à l’œil nu sous la forme d’un scintillement, qui se manifeste en particulier pour les étoiles proches de l’horizon et très lumineuses. Dans le télescope, les étoiles apparaissent en revanche comme des disques délavés. La raison de ce phénomène devient claire si l’on filme l’étoile avec une résolution temporelle élevée. De nombreux petits points – les véritables images de l’étoile – changent en permanence de position en raison de l’agitation de l’air et finissent par se superposer pour former le disque observé.
Des crêtes et des creux des vagues
Mais même si l’on laisse l’atmosphère terrestre derrière soi et que l’on observe le ciel nocturne avec un télescope dans l’espace, les étoiles n’ont pas l’air d’être des points : Les effets de diffraction au bord de l’objectif répartissent également la lumière des étoiles en une petite tranche. Ce phénomène s’explique par la nature ondulatoire de la lumière. Certes, les rayons lumineux se propagent toujours en ligne droite dans l’espace libre, mais s’ils rencontrent un obstacle, ils peuvent aussi « faire le tour » [voir l’infobox sous le texte].
Lors de cette manœuvre, les ondes lumineuses sont quelque peu désynchronisées : les crêtes et les creux des ondes se déplacent les uns par rapport aux autres et des effets d’interférence apparaissent. Dans certaines zones, les ondes se renforcent ainsi mutuellement, dans d’autres, elles s’affaiblissent. Derrière le diaphragme circulaire d’un télescope se forme ainsi un motif de diffraction typique – un petit disque lumineux avec des anneaux de diffraction concentriques et fortement atténués vers l’extérieur.
Mais selon l’obstacle, d’autres motifs peuvent également apparaître, comme des dentelures. C’est par exemple le cas dans les télescopes à miroir. Dans ces télescopes astronomiques modernes, un miroir concave sert d’objectif. Alors que dans une lunette à lentilles, le point focal se trouve derrière l’objectif, donc facilement accessible pour l’observateur, dans un miroir concave, il se trouve devant l’objectif et donc au milieu du trajet optique du télescope.
Pour pouvoir observer ou examiner la lumière, on la dévie donc hors du trajet optique à l’aide d’un deuxième miroir. Il est également possible de placer le capteur d’images directement dans le trajet du faisceau. Qu’il s’agisse du miroir ou du capteur, tous deux doivent être fixés d’une manière ou d’une autre au télescope. Les entretoises nécessaires à cet effet constituent un obstacle supplémentaire pour les ondes lumineuses entrantes et génèrent un motif de diffraction supplémentaire : des pointes en forme de rayons.
Ainsi, si des étoiles présentent des dentelures sur une photo, il est presque certain que l’image a été prise par un télescope à miroir. Certains astronomes amateurs utilisent toutefois une astuce pour observer les dentelures caractéristiques des étoiles avec un télescope à lentilles : Ils placent un filtre spécial, composé d’un fin réseau, dans le trajet du faisceau et créent ainsi également des effets « rayonnants ».
Mais dans les dessins et les peintures, les étoiles ont souvent des rayons ou des dentelures – même chez les artistes qui ont vécu avant l’invention de la lunette astronomique. Et en effet, de fins rayons semblent émaner d’étoiles brillantes, observées à l’œil nu dans un ciel nocturne sombre. On lit souvent que l’agitation de l’air est également responsable de ce phénomène. Il est toutefois facile de réfuter cette affirmation en tenant la tête inclinée. Les rayons tournent alors en même temps. L’effet doit donc se produire directement au niveau de l’œil ou dans l’œil, et non pas lors de la traversée de l’atmosphère terrestre.
Dans l’œil de l’observateur
En fait, les rayons se forment grâce à deux effets optiques : D’une part, les erreurs de reproduction du cristallin – l’astigmatisme – jouent un rôle, d’autre part, les phénomènes de diffraction sur le bord irrégulier de l’iris et sur les cils. L’effet est d’autant plus fort si l’on plisse les yeux. Les rayons peuvent d’ailleurs aussi être observés avec des lampes claires, à condition qu’elles ne soient pas trop grandes. En effet, pour les objets lumineux de grande taille, les phénomènes de diffraction de tous les points s’additionnent et ne fournissent qu’une bordure lumineuse floue, mais plus de rayons définis.
Il en va de même en astronomie : les objets plats comme les nébuleuses de gaz ou les galaxies ne sont pas sensibles aux effets de diffraction dans les télescopes à miroir. Il est ainsi facile de distinguer les galaxies des étoiles sur les photos du ciel. En effet, même les galaxies brillantes n’y présentent aucune dentelure, alors que toutes les étoiles, qu’elles soient faibles ou lumineuses, disposent de quatre rayons.
Éclairé au coin de la rue – le principe de Huygens
Venant de la gauche, des ondes planes rencontrent une barrière dans laquelle se trouve une petite ouverture. Les ondes passent à travers cette ouverture et se superposent derrière la barrière pour former une figure d’interférence.
Selon le principe de Huygens, chaque point sur un front d’onde peut être considéré comme le point de départ d’une nouvelle onde. Seule la superposition de toutes ces ondes élémentaires se propageant de manière sphérique détermine la manière dont la lumière se propage derrière un obstacle. En effet, lors de la superposition des différentes ondes élémentaires, des effets d’interférence se produisent : Dans certaines zones, les ondes se renforcent mutuellement, dans d’autres, elles s’affaiblissent. C’est ainsi que se forme un motif de diffraction caractéristique.
