Astronomie

Nébuleuse M17 photographie prise par le télescope Hubble

L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, ainsi que leurs propriétés physiques et chimiques.

L'étymologie du terme astronomie vient du grec ἀστρονομία (ἄστρον et νόμος) ce qui signifie loi des astres.

Avec plus de 5 000 ans d’histoire, les origines de l’astronomie remontent au-delà de l’Antiquité dans les pratiques religieuses préhistoriques. L’astronomie est l’une des rares sciences où les amateurs jouent encore un rôle actif. Elle est pratiquée à titre de loisir par un large public d’astronomes amateurs.

Histoire

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Sur tous les continents et depuis la haute antiquité, l'observation du ciel a une grande importance

L'astronomie est considérée comme la plus ancienne des sciences. L'archéologie révèle en effet que certaines civilisations de l'Âge du bronze, et peut-être du Néolithique, avaient déjà des connaissances en astronomie. Elles avaient compris le caractère périodique des équinoxes et sans doute leur relation avec le cycle des saisons, elles savaient également reconnaître certaines constellations. L'astronomie moderne doit son développement à celui des mathématiques depuis l'Antiquité grecque et à l'invention d'instruments d'observation à la fin du Moyen Âge. Si l'astronomie est pratiquée pendant plusieurs siècles parallèlement à l'astrologie, le siècle des Lumières et la redécouverte de la pensée grecque voient naître la distinction entre la raison et la foi, si bien que l'astrologie n'est plus pratiquée par les astronomes.

Matières de l'astronomie

À son début, durant l'Antiquité, l'astronomie consiste principalement en l'astrométrie, c'est-à-dire la mesure de la position dans le ciel des étoiles et des planètes.

Plus tard, des travaux de Kepler et de Newton naît la mécanique céleste qui permet la prévision mathématique des mouvements des corps célestes sous l'action de la gravitation, en particulier les objets du Système solaire. La plus grande partie du travail dans ces deux disciplines (l'astrométrie et la mécanique céleste), auparavant effectué à la main, est maintenant fortement automatisée grâce aux ordinateurs et aux capteurs CCD, au point que maintenant elles sont rarement considérées comme des disciplines distinctes. Dorénavant, le mouvement et la position des objets peuvent être rapidement connus, si bien que l'astronomie moderne est beaucoup plus concernée par l'observation et la compréhension de la nature physique des objets célestes.

Depuis le XXe siècle, l'astronomie professionnelle a tendance à se séparer en deux disciplines : astronomie d'observation et astrophysique théorique. Bien que la plupart des astronomes utilisent les deux dans leurs recherches, du fait des différents talents nécessaires, les astronomes professionnels tendent à se spécialiser dans l'un ou l'autre de ces domaines. L'astronomie d'observation est concernée principalement par l'acquisition de données, ce qui comprend la construction et la maintenance des instruments et le traitement des résultats. L'astrophysique théorique s'intéresse à la recherche des implications observationnelles de différents modèles, c'est-à-dire qu'elle cherche à comprendre et à prédire les phénomènes observés.

L'astrophysique est la branche de l'astronomie qui détermine les phénomènes physiques déduits par l'observation des astres. Actuellement, les astronomes ont tous une formation poussée en astrophysique et leurs observations sont presque toujours étudiées dans un contexte astrophysique. En revanche, il existe un certain nombre de chercheurs et chercheuses qui étudient exclusivement l'astrophysique. Le travail des astrophysiciens est d'analyser des données d'observations astronomiques et d'en déduire des phénomènes physiques.

Les domaines d'études de l'astronomie sont aussi classés en deux autres catégories :

Par sujet, généralement selon la région de l'espace (par exemple, l'astronomie galactique) ou le type de problème traité (formation des étoiles, cosmologie) ;
Par le mode d'observation, selon le type de particules détectées (lumière, neutrino) ou leur longueur d'onde (radio, lumière visible, infrarouge) ;

Matières par sujet

Astronomie solaire

Une image de la photosphère du Soleil en ultraviolets prise par le télescope TRACE

L'étoile la plus étudiée est le Soleil, une petite étoile typique de la séquence principale de type spectral G2V et vieille d'environ 4,6 milliards d'années. Le Soleil n'est pas considéré comme une étoile variable, mais il subit des changements périodiques de son activité, ce qui peut être vu grâce aux taches solaires. Ce cycle solaire de fluctuation du nombre de taches dure 11 ans. Les taches solaires sont des régions plus froides que la normale qui sont associées à une activité magnétique intense.

La luminosité du Soleil a régulièrement augmenté au cours de sa vie. Aujourd'hui, il est en effet 40 % plus brillant qu'au moment où il est devenu une étoile de la séquence principale.

Le Soleil a également subi des changements périodiques de luminosité ayant eu un impact significatif sur la Terre. Par exemple, on soupçonne le minimum de Maunder d'être la cause du petit âge glaciaire survenu durant le Moyen Âge.

Au centre du Soleil se trouve le cœur, une zone où la température et la pression sont suffisantes pour permettre la fusion nucléaire. Au-dessus du noyau se trouve la zone de radiations, où le plasma transporte les flux d'énergie au moyen de radiations. La couche recouvrant la zone de radiations forme la zone de convection où l'énergie est conduite vers la photosphère grâce à la convection, autrement dit, les déplacements physiques du gaz. On croit que cette zone de convection est à l'origine de l'activité magnétique qui génère les taches.

La surface extérieure du Soleil est appelée photosphère. Juste au-dessus de cette couche se trouve une mince région appelée chromosphère. Enfin se trouve la couronne solaire.

Le vent solaire, un flux de plasma constitué essentiellement de particules chargées, souffle constamment à partir du Soleil jusqu'à l'héliopause. Il interagit avec la magnétosphère terrestre pour créer les ceintures de Van Allen. Les aurores polaires sont également une conséquence de ce vent solaire.

Planétologie

Ce domaine de la planétologie s'intéresse à l'ensemble des planètes, des lunes, des planètes naines, des comètes, des astéroïdes, et des autres corps orbitant autour du soleil ; ainsi qu'aux exoplanètes. Le Système solaire a été relativement bien étudié, d'abord à l'aide de télescopes puis aux moyens de sondes. Cela a fourni une bonne compréhension globale de la formation et de l'évolution de ce système planétaire, bien qu'un grand nombre de découvertes soient encore à accomplir.

Le Système solaire est subdivisé en cinq parties :

Le Soleil ;
Les planètes internes ;
La ceinture d'astéroïdes ;
Les planètes externes ;
Le nuage d'Oort ;

Les planètes internes sont toutes telluriques, il s'agit de :

Mercure ;
Vénus ;
La Terre ;
Mars ;

Les planètes externes, des géantes gazeuses, sont :

Jupiter ;
Saturne ;
Uranus ;
Neptune ;

Derrière Neptune se trouve la ceinture de Kuiper, et finalement, le nuage d'Oort, qui s'étend probablement sur une année-lumière.

Les planètes ont été formées par un disque protoplanétaire qui entourait le Soleil lorsqu'il venait de se former. Grâce à un processus combinant attraction gravitationnelle, collision, et accrétion, le disque forma des amalgames de matières qui allaient devenir, avec le temps, des protoplanètes. À ce moment-là, la pression de radiation du vent solaire a expulsé la majorité de la matière qui ne s'était pas assemblée, et seules les planètes munies d'une masse suffisante purent retenir leur atmosphère gazeuse. Les planètes ont continué d'éjecter la matière restante durant une période d'intense bombardement météoritique, comme en témoignent les nombreux cratères trouvés, entre autres, sur la Lune. Durant cette période, quelques protoplanètes ont pu entrer en collision, et selon l'hypothèse majeure, c'est ainsi que la Lune fut formée.

Une fois qu'une planète atteint une masse suffisante, les matériaux de différentes densités commencent à se séparer entre eux, c'est la différenciation planétaire. Ce processus peut former un noyau rocheux ou métallique, entouré par un manteau et une croûte. Le cœur peut inclure des régions solides et liquides, et dans certains cas, il peut générer son propre champ magnétique, qui protège la planète et son atmosphère des attaques du vent solaire.

Astronomie stellaire

La nébuleuse planétaire de la Fourmi

Les éjections de gaz de l'étoile centrale mourante montrent des lobes symétriques, à l'inverse des figures chaotiques des explosions ordinaires

L'étude des étoiles et de l'évolution stellaire est fondamentale pour notre compréhension de l'univers. L'astrophysique des étoiles a été déterminée grâce à l'observation et à la compréhension théorique ainsi que par des simulations informatiques.

Une étoile se forme dans des régions denses de poussières et de gaz, connues sous le nom de nuages moléculaires géants. Lorsqu'ils sont déstabilisés, les fragments peuvent s'effondrer sous l'influence de la gravité pour former une protoétoile. Une région suffisamment dense et chaude provoquera une fusion nucléaire, créant ainsi une étoile de la séquence principale.

Presque tous les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium ont été créés dans le noyau des étoiles.

Les caractéristiques de l'étoile résultant dépendent d'abord de sa masse de départ. Plus l'étoile est massive, plus sa luminosité est importante et plus elle videra le stock d'hydrogène présent dans son noyau rapidement. Au fil du temps, cette réserve est entièrement convertie en hélium, et l'étoile commence alors à évoluer. La fusion de l'hélium requiert une plus grande température dans le noyau, de cette façon, l'étoile s'agrandit et son noyau se densifie en même temps. Devenue une géante rouge, notre étoile consume alors son hélium. Cette phase est relativement courte. Les étoiles très massives peuvent aussi subir une série de phases rétrécissantes, où la fusion se poursuit en éléments de plus en plus lourds.

Le destin final de l'étoile dépend de sa masse: les étoiles qui sont plus de 8 fois plus massives que le soleil peuvent s'effondrer en supernova ; alors que les étoiles plus légères forment des nébuleuses planétaires et évoluent en naines blanches. Ce qui reste d'une très grosse étoile est une étoile à neutrons, ou dans certains cas un trou noir.

Les étoiles binaires proches peuvent suivre des chemins plus complexes dans leur évolution, comme un transfert de masse par le compagnon d'une naine blanche pouvant causer une supernova. Les phases finales de la vie des étoiles, y compris les nébuleuses planétaires et les supernovas, sont nécessaires à la distribution de métaux dans le milieu interstellaire ; sans cela, toutes les nouvelles étoiles (leur système planétaire y compris) seraient uniquement formées à partir d'hydrogène et d'hélium.

Astronomie galactique

Le Système solaire orbite au sein de la Voie lactée, une galaxie spirale barrée qui est un membre important du Groupe local. C'est une masse tournante formée de gaz, d'étoiles et d'autres objets maintenus ensemble par une attraction gravitationnelle mutuelle. Étant donné que la Terre est située dans un bras extérieur poussiéreux, il y a une grande partie de la Voie lactée que l'on ne peut pas voir.

Au centre de la Voie lactée se trouve le noyau, un bulbe de forme étirée qui d'après de nombreux astronomes abriterait un trou noir supermassif en son centre gravitationnel. Celui-ci est entouré de quatre bras spiraux majeurs démarrant du noyau. C'est une région active de la galaxie qui contient beaucoup d'étoiles jeunes appartenant à la population II. Le disque est entouré par un halo sphéroïdal d'étoiles plus vieilles de population I, ainsi que par une concentration relativement dense d'amas globulaires.

Entre les étoiles se trouve le milieu interstellaire, une région de matière éparpillée. Dans les régions les plus denses, des nuages moléculaires formés principalement d'hydrogène moléculaire contribuent à la formation de nouvelles étoiles. Cela commence avec des nébuleuses sombres qui se densifient puis s'effondrent pour former des protoétoiles compactes.

Quand des étoiles plus massives apparaissent, elles transforment le nuage en une région HII de gaz et de plasma luminescent. Le vent stellaire et les explosions de supernova servent finalement à disperser le nuage, laissant souvent derrière lui un ou plusieurs amas ouverts. Ces amas se dispersent graduellement et les étoiles rejoignent la population de la Voie lactée.

Les études cinématiques de la matière présente dans la Voie lactée ont démontré qu'il y a plus de masse qu'il n'y parait. Un halo de matière noire semble dominer la masse, bien que la nature de cette matière noire reste indéterminée.

Astronomie extragalactique

L'étude des objets situés en dehors de notre galaxie est une branche de l'astronomie concernée par la formation et l'évolution des galaxies ; leur morphologie et classification ; l'examen des galaxies actives ; ainsi que par les groupes et amas de galaxies. Ces derniers sont importants pour la compréhension des structures à grande échelle de l'Univers.

La plupart des galaxies sont organisées en formes distinctes, ce qui permet d'établir un schéma de classification. Elles sont communément divisées en galaxies spirales, elliptiques et irrégulières.

Comme son nom l'indique, une galaxie elliptique a la forme d'une ellipse. Ses étoiles se déplacent sur une orbite choisie au hasard sans aucune direction préférée. Ces galaxies ne contiennent que peu ou pas de gaz interstellaire, peu de régions de formation d'étoiles, et généralement des étoiles âgées. On trouve généralement des étoiles dans les noyaux d'amas galactiques qui peuvent se former à partir de la fusion de plus grandes galaxies.

Une galaxie spirale est organisée comme un disque plat en rotation, avec généralement un bulbe proéminent ou une barre en son centre, ainsi que des bras spiraux qui s'étendent vers l'extérieur. Ces bras sont des régions poussiéreuses de formations d'étoiles où les jeunes étoiles massives produisent une teinte bleue. Les galaxies spirales sont typiquement entourées d'un halo d'étoiles plus vieilles. La Voie lactée et la galaxie d'Andromède sont des galaxies spirales.

Les galaxies irrégulières sont chaotiques en apparence et ne sont ni spirales, ni elliptiques. Environ un quart des galaxies sont irrégulières. La forme si particulière peut être le résultat d'une interaction gravitationnelle.

Une galaxie active est une structure dont une partie significative de l'énergie qu'elle émet ne provient pas de ses étoiles, de son gaz ou de sa poussière. Ce type de galaxie est alimenté par une région compacte en son noyau, généralement grâce à un trou noir supermassif, pense-t-on, qui émettrait des radiations grâce aux matériaux qu'il avale.

Une radiogalaxie est une galaxie active qui est vraiment très lumineuse dans le domaine radio du spectre électromagnétique et qui produit de gigantesques lobes de gaz. Les galaxies actives émettant des radiations très énergétiques incluent les galaxies de Seyfert, les quasars et les blazars. Les quasars semblent être les objets les plus lumineux de l'univers connu.

Les grandes structures du cosmos sont représentées par des groupes et des amas de galaxies. Cette structure est organisée de manière hiérarchique, dont les plus grandes connues à ce jour sont les superamas. Le tout est agencé en filaments et en murs, laissant d'immenses régions vides entre eux.

Cosmologie

La cosmologie du grec κοσμος, monde, univers et λογος, mot, étude pourrait être considérée comme l'étude de l'Univers comme étant un tout.

Les observations de la structure de l'Univers à grande échelle, une branche appelée cosmologie physique, a donné une profonde connaissance de la formation et de l'évolution du cosmos. La théorie bien acceptée du Big Bang est fondamentale à la cosmologie moderne qui dit que l'univers a commencé comme un simple point et qu'il s'est ensuite agrandi durant 13,7 milliards d'années jusqu'à son état actuel. Le concept du Big Bang peut être retracé jusqu'à la découverte du fond diffus cosmologique en 1965.

Dans ce processus d'expansion, l'univers a connu plusieurs stades d'évolution. Dans les tout premiers temps, nos théories actuelles montrent une inflation cosmique extrêmement rapide, ce qui a homogénéisé les conditions de départ. Ensuite, la nucléosynthèse primordiale a produit les éléments de base de l'univers nouveau-né.

Lorsque les premiers atomes furent formés, l'espace devint transparent aux radiations, libérant ainsi de l'énergie, perçue aujourd'hui à travers le fond diffus cosmologique. L'expansion de l'univers connut alors un âge Sombre dû au manque de sources d'énergie stellaires.

Une structure hiérarchique de la matière commença à se former à partir de variations minuscules de la densité de matière. La matière s'accumula alors dans les régions les plus denses, formant des nuages de gaz interstellaire et les toutes premières étoiles. Ces étoiles massives déclenchèrent alors le processus du réionisation et semblent être à l'origine de la création de beaucoup d'éléments lourds du jeune univers.

L'attraction gravitationnelle a regroupé la matière en filaments, laissant ainsi d'immenses régions vides dans les lacunes. Graduellement, des organisations de gaz et de poussière ont émergé pour former les premières galaxies primitives. Au fil du temps, celles-ci ont attiré plus de matière, et se sont souvent organisées en amas de galaxies, puis en superamas.

L'existence de la matière noire et de l'énergie sombre est fondamentale à la structure de l'univers. On pense maintenant qu'elles sont les composantes dominantes, formant 96 % de la densité de l'univers. Pour cette raison, beaucoup d'efforts sont déployés dans le but de découvrir la composition et la physique régissant ces éléments.

Disciplines par type d'observation

En astronomie, l'information provient principalement de la détection et de l'analyse de la lumière visible ou d'une autre onde électromagnétique. L'astronomie d'observation peut être divisée selon les régions observées du spectre électromagnétique. Certaines parties du spectre peuvent être observées depuis la surface de la Terre, alors que d'autres sont seulement observables à de hautes altitudes voire dans l'espace.

Radioastronomie

Le Very Large Array est un exemple de radiotélescope

La radioastronomie étudie les radiations d'une longueur d'onde supérieure au millimètre. La radioastronomie est différente des autres formes d'observations astronomiques dans la mesure où les ondes radio sont traitées davantage comme des ondes plutôt que comme des photons discrets. Il est plus facile de mesurer l'amplitude et la phase des ondes radio que celles de longueurs d'onde plus courtes.

Bien que certaines ondes radio soient produites par certains objets astronomiques sous forme d'émissions thermiques, la plupart des émissions radio qui sont observées depuis la Terre sont vues sous forme de rayonnement synchrotron, qui est produit lorsque les électrons oscillent autour de champs magnétiques. En outre, un certain nombre de raies spectrales produites par le gaz interstellaire, notamment la raie d'hydrogène à 21 cm, sont observables dans le domaine radio.

Une grande variété d'objets sont observables en ondes radio, ce qui inclut les supernovae, le gaz interstellaire, les pulsars et les noyaux galactiques actifs.

Astronomie infrarouge

L'astronomie infrarouge s'occupe de la détection et de l'analyse du rayonnement infrarouge (longueurs d'onde plus longues de celle de la lumière rouge). Excepté pour les longueurs d'onde situées près de la lumière visible, le rayonnement infrarouge est fortement absorbé par l'atmosphère ; d'autre-part, celle-ci produit des émissions d'infrarouge significatives. Par conséquent, les observatoires infrarouges doivent être situés sur des lieux très élevés et secs, ou dans l'espace.

L'astronomie infrarouge est particulièrement utile pour l'observation des régions galactiques entourées de poussière et pour les études des gaz moléculaires. Sollicitée dans le cadre de l'observation d'objets froids (moins de quelques centaines de kelvins) elle est donc également utile à l'observation des atmosphères planétaires.

Parmi les observatoires à infrarouge, on peut citer les télescopes spatiaux Spitzer et Herschel.

Astronomie optique

Le télescope spatial Hubble a fourni des images exceptionnelles notamment en lumière visible

D'un point de vue historique, l'astronomie optique, également appelée astronomie de la lumière visible, est la plus ancienne forme d'astronomie. À l'origine, les images optiques étaient dessinées à la main. À la fin du XIXe siècle et durant une bonne partie du XXe siècle, les images furent faites en utilisant un équipement photographique. Les images modernes sont produites grâce à des détecteurs digitaux, particulièrement les caméras CCD. Bien que la lumière visible s'étende elle-même approximativement de 4 000 Å à 7 000 Å (400 à 700 nm), le même équipement peut être utilisé pour observer les ultraviolets proches ainsi que le proche-infrarouge.

En réalité, l'atmosphère n'est pas tout à fait transparente à la lumière visible. En effet, les images obtenues sur Terre dans ces longueurs d'onde souffrent de distorsions dues aux turbulences atmosphériques. C'est ce phénomène qui est responsable du scintillement des étoiles. Le pouvoir de résolution ainsi que la magnitude limite théoriques d'un télescope terrestre sont donc diminués à cause de ces mêmes perturbations. Pour remédier à ce problème, il est donc nécessaire de quitter l'atmosphère terrestre. Une autre solution, l'optique adaptative, permet également de réduire la perte de qualité de l'image.

Astronomie en ultraviolets

L'astronomie en ultraviolets fait référence aux observations aux longueurs d'onde correspondant à l'ultraviolet, c'est-à-dire entre ~ 100 et 3 200 Å (10 à 320 nm). La lumière de ces longueurs est absorbée par l'atmosphère de la Terre, les observations de ces longueurs d'onde se font donc depuis la haute atmosphère ou depuis l'espace. L'astronomie à ultraviolets est plus indiquée pour l'observation du rayonnement thermique et des raies spectrales des étoiles bleues chaudes (étoiles OB) qui sont très lumineuses dans ce domaine. Cela comprend les étoiles bleues des autres galaxies, qui ont été les cibles de plusieurs études sur le sujet. D'autres objets sont aussi couramment observés en UV, comme les nébuleuses planétaires, les rémanents de supernovae ou les noyaux galactiques actifs. Cependant, la lumière ultraviolette est facilement absorbée par la poussière interstellaire, les mesures ont donc besoin d'être corrigées de l'extinction.

Astronomie en rayons X

Le télescope spatial à rayons X Chandra a profondément transformé notre connaissance de l'univers

L'astronomie en rayons X consiste en l'étude des objets astronomiques à des longueurs d'onde correspondant aux rayons X, autrement dit allant d'environ 0,1 à 100 Å (0,01 à 10 nm). Typiquement, les objets émettent des rayons X comme des émissions synchrotron (produit par des électrons oscillant autour des lignes d'un champ magnétique), des émissions thermiques provenant de gaz fins (appelé rayonnement continu de freinage) qui est au-dessus de 107 kelvins, ainsi que des émissions thermiques de gaz épais (appelé rayonnement du corps noir) dont la température est supérieure à 107 K27. Puisque les rayons X sont absorbés par l'atmosphère de la terre, toute observation en rayons X doit être effectuée par des ballons de haute altitude, par des fusées, ou par un engin spatial. Parmi les sources de rayons X notables, nous pouvons citer les binaires X, les pulsars, les rémanents de supernovae, les galaxies elliptiques ou actives, et les amas de galaxies.

Astronomie des rayons gamma

L'astronomie des rayons gamma concerne les plus petites longueurs d'onde du spectre électromagnétique. Les rayons gamma peuvent être directement observées par des satellites tels que le Compton Gamma-Ray Observatory.

Les rémanents de supernovae, les pulsars, et le Centre galactique sont des exemples de sources de rayonnement gamma dans la Voie Lactée, tandis que les blazars constituent la principale classe de sources de rayonnement extragalactiques. Finalement, les sursauts gamma forment également une importante population de sources transitoires qu'il est possible d'observer dans ce régime d'énergie lumineuse.

Astronomie gravitationnelle

L’astronomie gravitationnelle, ou astronomie des ondes gravitationnelles, est la branche de l'astronomie qui observe les objets célestes grâce aux ondes gravitationnelles, soit de faibles perturbations de l'espace-temps se propageant dans l'espace et pouvant être détectées à l'aide d'interféromètre de grande envergure.

Un total de 6 sources d'ondes gravitationnelles ont à ce jour été détectées, toutes issues de la fusion d'objets célestes compactes : la fusion de deux trous noirs et la fusion de deux étoiles à neutrons.

Astronomie des neutrinos

L’astronomie des neutrinos est une branche de l'astronomie cherchant à étudier les objets célestes capables de produire des neutrinos de très hautes énergies (de l'ordre de quelques centaines de TeV à plusieurs PeV).

Sciences interdisciplinaires

L'astronomie et l'astrophysique ont développé d'importants liens avec d'autres champs d'études scientifiques, à savoir :

L'astrobiologie étudie l'apparition et l'évolution des systèmes biologiques présents dans l'univers ;
L'archéoastronomie étudie les astronomies anciennes et traditionnelles dans leurs contextes culturels, en utilisant des preuves archéologiques et anthropologiques ;
L'astrochimie étudie les substances chimiques trouvées dans l'espace, généralement dans les nuages moléculaires, ainsi que leur formation, leurs interactions, et leur destruction. Cette discipline fait le lien entre astronomie et chimie ;
La cosmochimie étudie les substances chimiques trouvées dans le Système solaire, y compris l'origine des éléments ainsi que les variations dans les rapports isotopiques ;

Astronomie amateur

L'astronomie amateur est une activité de loisirs qui consiste en l'observation d'objets du ciel diurne et nocturne situés au-delà du globe terrestre. Comme la plupart des activités de loisir, elle peut se pratiquer seul, en groupe non organisé ou en groupe organisé. Elle peut se différencier de l'astronomie professionnelle par deux principaux aspects :

Contrairement à l'astronome professionnel dont l'objectif premier est de produire un résultat scientifique, plus précisément d'approfondir nos connaissances en astrophysique, l'astronome amateur, quant à lui, considère rarement l'observation astronomique comme un moyen mais plutôt comme une fin.
Financée par la recherche scientifique, l'astronomie professionnelle bénéficie de moyens d'observation sans commune mesure avec ceux dont peut disposer l'astronome amateur. En raison, d'une part, du coût des instruments et, d'autre part, d'avancées technologiques parfois indisponibles pour le grand public.

Toute personne qui pratique l'astronomie amateur est appelée assez naturellement astronome amateur, parfois abrégé en astram. Le terme d'amateur n'est pas ressenti comme péjoratif dans ce contexte. Certains groupes d'astronomes amateurs surveillent des astres spécifiques ce qui permet d'alerter les astronomes professionnels. Un astronome professionnel est parfois également amateur, le professionnalisme étant le plus souvent la suite d'un amateurisme particulièrement intéressé scientifiquement.

Techniques d'observation et outils

La pratique observationnelle de l'astronomie amateur regroupe de nombreuses techniques. La majeure partie des astronomes amateurs pratique l'observation visuelle ou l'imagerie, mais il existe également d'autres techniques tout aussi intéressantes.

L'observation visuelle

La manière la plus facile d'observer le ciel consiste à saisir directement et en temps réel la lumière visible provenant de l'objet observé. Cette technique est appelée observation visuelle. Dans tous les cas cela consiste à utiliser les yeux, éventuellement par l'entremise d'un instrument amplificateur.

On pourrait croire au premier abord que seules les performances physiologiques de l'œil (sensibilité rétinienne, stigmatisme cornéen, etc.) suffisent, pour des conditions d'observations identiques, à prédire la qualité de ces observations. En réalité, l'expérience de l'observateur est très loin d'être négligeable : certaines techniques, même faciles à acquérir, permettent de gagner en sensibilité. La plus connue est certainement la vision décalée qui consiste à exploiter la périphérie de la rétine plus sensible que la zone centrale (macula), laquelle est optimisée pour la vision diurne : dès lors il ne s'agit plus de fixer l'objet mais de diriger notre regard un peu à côté ; en contrepartie on perd en coloration et en définition ; il sera plus difficile de discerner les détails d'une nébuleuse, par exemple) c'est pourquoi il faudra trouver le compromis adapté. La forme physique demeure néanmoins un facteur à ne pas négliger : un manque de sommeil ou une carence en vitamine A peut altérer la vision scotopique de manière significative. D'autres paramètres peuvent varier d'un individu à l'autre : la perception des couleurs en est un exemple.

L'œil nu

La technique d'observation la plus évidente correspond tout simplement à l'utilisation des deux seuls yeux. Bien qu'il s'agisse d'une technique élémentaire, l'observation à l'œil nu permet de se familiariser avec les constellations et de profiter de phénomènes astronomiques plus ou moins importants tels que les éclipses (avec un filtre approprié dans le cas d'une éclipse de Soleil), les conjonctions ou encore les pluies d'étoiles filantes.

L'œil humain permet d'atteindre une magnitude limite visuelle d'environ 8 dans le meilleur des cas. L'acuité visuelle, la taille de la pupille et surtout la pollution lumineuse constituent les trois facteurs limitants directs. En Europe occidentale, un œil jeune, exercé et dépourvu de défauts situé en haute montagne pourra espérer atteindre la magnitude 7,5 tandis qu'un citadin âgé et non initié pourra difficilement dépasser la quatrième magnitude. Une étoile de magnitude 8 est près de 40 fois plus faible qu'une étoile de magnitude 4.

Les jumelles

L'utilisation de jumelles astronomiques permet de mener une étude visuelle approfondie du ciel. Des jumelles légère 7×50 ou 10×50, le premier chiffre désignant le grossissement optique, le second le diamètre de l'objectif tenue à la main est d'une aide efficace pour trouver et observer astérismes et amas ouverts, ainsi que les galaxies et nébuleuses les plus brillantes. Elles peuvent également se révéler plaisantes pour l'observation d'une conjonction serrée ou d'une comète de passage.

On peut également signaler l'existence de grands modèles de jumelles, instruments de choix pour les chasseurs de comètes ; c'est d'ailleurs avec ce type d'instrument que Yuji Hyakutake découvrit en 1996 la célèbre comète qui porte son nom. Ces jumelles lourdes et encombrantes, dont le diamètre des objectifs atteint parfois 150 mm, peuvent représenter un investissement élevé et nécessiter l'emploi d'une monture stabilisante.

Les fabricants de jumelles astronomiques réputées sont Leica, Zeiss, Swarovski ou Steiner.

La longue-vue

Même s'il s'agit d'un instrument plutôt conçu pour l'observation ornithologique, une longue-vue peut s'avérer d'une aide intéressante pour l'observation astronomique. D'une utilisation proche de celle des jumelles malgré la perte de la vision binoculaire et de la sensation de confort qu'elle procure, les longues-vues peuvent en outre recevoir des oculaires, souvent spécifiques, permettant de faire varier le grossissement et présenter un renvoi coudé à 45° diminuant les risques de torticolis. Ces instruments doivent être montés sur un pied pour être utilisés dans les meilleures conditions de stabilité et de confort.

Le télescope

Pour nombre d'astronomes amateurs le télescope, représente souvent le stade ultime de la pratique de l'astronomie visuelle. Il permet d'une part de monter plus haut en diamètre que les instruments précités, d'autre part et sous certaines conditions de ne plus se cantonner à l'observation visuelle et s'essayer à l'imagerie mais dans ce domaine, les lunettes apochromatiques sont, à diamètre égal, bien plus adaptées avec un spectre secondaire inexistant, une transmission de la lumière bien supérieure et une stabilité optique des plus élevées.

Le plus déroutant lors de la première utilisation de ces instruments reste l'inversion de l'image : utilisé tel quel un télescope donnera une image renversée (rotation de 180°) de la source. Avec un renvoi coudé, l'image subit une inversion miroir : le haut est toujours en haut mais la droite se retrouve à gauche. Dans le cadre d'une utilisation astronomique, le sens n'a de toute façon que peu d'importance : dans le ciel les notions de haut et de bas sont toujours relatives ; l'habitude aidant, cette inversion n'est plus incommodante.

Ce n'est pas tant pour la taille qu'ils peuvent atteindre que pour la diversité des modèles existants et la polyvalence qu'ils offrent que les télescopes figurent comme les outils les plus appréciés des astronomes amateurs. Non seulement le choix des instruments est vaste, mais celui des accessoires qu'on peut leur adjoindre aussi. En effet, les normes américaines sont aujourd'hui devenu des standards et on peut désormais fréquemment monter un accessoire américain ou chinois sur un télescope russe ou japonais.

Un télescope est en fait un tout qu'on ne saurait réduire au seul tube optique : il doit, pour fonctionner, être accompagné d'accessoires indispensables qui ne seront pas forcément fournis lors de l'acquisition.

Tout d'abord, une monture est nécessaire : les grossissements susceptibles d'être utilisés avec un télescope ainsi que le poids et l'encombrement de ce dernier excluent toute utilisation à bout de bras ; certaines montures sont munies de mouvements lents qui permettent d'ajuster manuellement la position du télescope, d'autres sont motorisées afin d'assurer le suivi équatorial (compensation de la rotation terrestre) voire de pointer automatiquement un objet. Aussi, dans le cadre d'une observation purement visuelle, l'amateur devra se pourvoir en oculaires afin d'être en mesure d'adapter le grossissement à son instrument, aux conditions extérieures et bien sûr à l'objet observé.

Quelques accessoires permettent d'aller plus loin :

Les chercheurs et pointeurs : Ils permettent de trouver l'objet que l'on veut observer. Un chercheur est une petite lunette à champ large dont l'oculaire est muni d'un réticule. Un pointeur est un dispositif qui dessine une mire virtuelle sur le ciel à l'aide d'une source lumineuse et d'un masque dont l'image est projetée à l'infini sur un miroir plan transparent au travers duquel on regarde. Il n'y a donc pas de grossissement ni de retournement de l'image contrairement au chercheur. On se dispense rarement de ce type d'accessoire étant donné le gain de temps qu'il apporte.
Les filtres : Solaires, ils permettent d'observer les taches solaires et la granulation de la photosphère grâce à une transmission lumineuse très faible ; ils se placent à l'ouverture du télescope et non au voisinage du foyer c'est-à-dire au voisinage de l'oculaire et peuvent prendre la forme d'un film ou d'une plaque de verre traité. Lunaires, ils permettent d'atténuer la lumière parfois fatigante de la Lune ; ils peuvent être polarisants et révéler des hétérogénéités dans le sol lunaire. Colorés, ils peuvent améliorer le rendu de certains détails planétaires. Interférentiels, ils permettent soit de réduire les effets de la pollution lumineuse, soit d'améliorer notablement le contraste des nébuleuses en émission en sélectionnant les raies visibles les plus énergétiques, soit d'observer les protubérances solaires ; dans tous les cas il s'agit d'améliorer le rapport signal / bruit ; la difficulté de réalisation étant d'autant plus élevée que la bande passante est étroite, ces filtres sont très coûteux (de 10 à 150 € / cm²).

L'imagerie

L'autre pratique extrêmement courante de l'astronomie, chez l'amateur, revient à produire des images du ciel. Elle peut se pratiquer à des degrés très divers, pour des budgets pouvant varier d'un facteur cent suivant le domaine d'observation visé et les résultats attendus.

L'exercice consiste à combiner un objectif et un capteur :

L'objectif est l'élément optique qui va projeter le ciel sur une surface focale passant par le foyer de cet objectif. En pratique, cet objectif est un objectif d'appareil photographique, de chambre astrographique ou plus communément de télescope. La distance focale de l'objectif conditionne le grandissement de l'image : plus la focale est grande plus l'image est grande et donc plus le champ est petit pour une même aire au niveau de la surface focale.
Le capteur est l'élément qui transforme le signal lumineux en un signal chimique ou électrique et qui se traduira par l'impression d'une image fixe sur un support. Il est placé de manière à coïncider avec la surface focale de l'objectif afin de garantir la mise au point, on parle alors d'imagerie au foyer. La pellicule photographique a été jusqu'à la deuxième moitié du XXe siècle le seul moyen de fixer une image ; depuis lors, les supports numériques ont envahi le marché et bien qu'il reste quelques irréductibles de l'astrophotographie argentique, l'avenir est aux capteurs optoélectroniques (CCD ou CMOS).

Dans certains cas, on peut effectuer une projection au moyen d'un oculaire ou bien un montage afocal, techniques plus complexes et moins usitées que l'imagerie au foyer.

Procédé argentique

L'astrophotographie argentique est rentrée depuis les années 1990 dans un cercle vicieux qui tend à accélérer sa disparition : le grand public étant séduit par les atouts du numérique, les fabricants de pellicule ont eu tendance à axer leur production sur ces nouveaux dispositifs, ce qui a fait que le choix en matière de films photographique s'est rétréci, accentuant encore le désengagement du public envers les procédés argentiques.

Les films techniques comme le célèbre Kodak Technical Pan 2415 ont longtemps été, après hypersensibilisation, des outils de choix des astrophotographes. Comme les films couleur sensibles dans le rouge, ces films ont aujourd'hui, hormis quelques modèles pour diapositives, totalement disparu du marché.

L'astrophotographie argentique peut toutefois donner d'agréables résultats sur les grands champs d'étoiles notamment moyennant des poses de l'ordre de la dizaine de minutes avec un objectif standard, en parallèle avec un instrument de guidage. Plus simple encore : les filés d'étoiles ne nécessitent pas de suivi. Ceci étant, la photographie argentique au foyer a toujours été une technique d'autant plus délicate que la focale de l'objectif est longue, et ce pour des raisons de précision du suivi équatorial.

Caméra CCD

La voie royale pour l'imagerie du ciel profond reste la technologie CCD (charge coupled device), qui offre une sensibilité exceptionnelle et bénéficie des avancées technologiques les plus récentes. À ses débuts très coûteuse et exigeante, cette technique a eu tendance à se répandre plus facilement grâce notamment à la baisse des tarifs et à l'apparition de l'autoguidage permettant d'automatiser le suivi de la monture supportant l'instrument. Il n'en demeure pas moins que les techniques d'acquisition et de traitement ne sont pas de la première simplicité et exigent un savoir-faire certain.

Ce sont avec cette technologie que les plus belles images de nébuleuses, amas ou galaxies ont été produites. Les amateurs les plus doués possèdent la plupart du temps un observatoire qui leur est propre et qui abrite un équipement coûteux, que cet observatoire soit situé au fond de leur jardin ou perdu à des milliers de kilomètres dans un site de premier choix. Il arrive toutefois que d'excellents astrophotographes restent nomades avec du matériel relativement simple mais utilisé de façon optimale.

Webcam

Les années 1990 ont vu l'apparition des premières webcams, ces petites caméras de visioconférence informatique. Les amateurs qui ont l'idée de les placer au foyer de leur télescope, prennent la précaution de les défaire de leur lentille sommaire faisant office d'objectif.

Utilisées telles quelles, ces webcams devenues astrocams permettent d'enregistrer de petites séquences vidéo de la Lune et de planètes : les capacités de calcul des ordinateurs personnels rendent possible l'application à ces séquences d'images de techniques performantes de traitement d'images qui permettront d'améliorer très nettement le rapport signal / bruit par rapport à une image brute, même sans un suivi précis de l'astre. En ce début de XXIe siècle, la webcam est à la fois l'outil le moins coûteux et l'un des plus efficaces pour produire de belles images de la Lune, de Mars, de Jupiter ou de Saturne.

Même si la taille réduite et la sensibilité limitée des pixels du capteur ne prédispose pas les webcams à une activité en ciel profond, certains amateurs ont réussi à modifier ces caméras afin de les rendre aptes à l'exposition en longue pose. Même si le résultat est assez loin de ce que l'on peut obtenir avec la technologie CCD, le coût peu élevé de cette solution permet au moins de goûter sans trop de risques aux plaisirs et à la difficulté de l'imagerie des nébuleuses, amas et galaxies.

Appareil photographique numérique

Il a fallu attendre quelques années entre l'apparition des premiers appareils photo-numériques et celle des modèles de type reflex qui permettent la photographie au foyer de l'objectif utilisé. Les résultats obtenus avec les appareils dont l'objectif ne peut être désolidarisé du boîtier sont souvent médiocres, eu égard à des techniques moins naturelles d'acquisition. Cependant, lorsque l'on utilise du bon matériel, de superbes clichés peuvent être faits, notamment avec certains APN compacts mis en afocal derrière un télescope. Les images obtenues par les boîtiers reflex sont en revanche bien plus encourageantes : la photographie à grand champ au foyer redevient alors possible, comme autrefois avec les appareils argentiques ; les apports du numérique en plus.

Cette technique présente l'avantage d'être moins coûteuse que la CCD et surtout plus autonome : nul besoin d'ordinateur portable sur place. En contrepartie, le bruit thermique n'est pas aussi bien contrôlé dans un appareil photo que dans une vraie caméra CCD, ce qui limite sévèrement les temps de pose.

Le dessin

À mi-chemin entre l'observation visuelle pure et dure d'une part et l'imagerie d'autre part, il existe une technique ancestrale mais qui a su conserver un certain nombre d'adeptes. En effet, le dessin astronomique présente le meilleur des deux mondes : la simplicité du premier et la touche artistique ou utilitaire du second.

Cette technique permet en outre à l'amateur de développer son sens de l'observation puisqu'il doit retranscrire sur le papier tous les détails constatés à l'oculaire. Celui qui ne dessine pas aura plus tendance à survoler les objets qu'il observe.

La spectroscopie

Pouvant être pratiquée à la fois en visuel et en photographie, la spectroscopie est une manière d'observer le ciel sous un autre jour, plus proche de l'étude de la chimie stellaire que d'une observation désintéressée de toute interprétation astrophysique, comme on le ferait plus volontiers dans le cadre d'observations traditionnelles.

Cette technique consiste à décomposer le spectre visible d'un objet à l'aide d'un réseau de diffraction ou d'un prisme et à observer ou photographier les raies d'absorption afin de les identifier a posteriori et donc de déduire la composition chimique du corps observé.

La radioastronomie

Même s'il s'agit de sa facette la plus facile à appréhender, l'univers observable n'émet pas exclusivement de la lumière visible. Le domaine accessible par les caméras CCD est à peine plus étendu que celui de l'œil humain, c'est-à-dire réduit à une portion extrêmement congrue du spectre électromagnétique, c'est pourquoi il existe un capteur adapté à chaque domaine du spectre.

Malheureusement, les technologies nécessaires à l'observation des rayons X et gamma sont aujourd'hui inaccessibles à l'amateur. Du côté des ondes radio, en revanche, la technologie est déjà omniprésente puisqu'elle permet aux foyers isolés de recevoir des données satellitaires. Ainsi, en radioastronomie, une antenne parabolique associée à un vu-mètre permet d'observer un flux qu'aucun de nos cinq sens ne pourrait appréhender sans cette conversion de signal. On peut de cette manière observer les radiosources les plus puissantes : le Soleil, Jupiter, le bulbe galactique, quelques galaxies elliptiques géantes ...

Les profils d'astronomes amateurs

Les astronomes amateurs peuvent pratiquer leur activité à des niveaux différents selon les affinités, le degré d'implication ou encore le temps disponible. Il serait bien sûr illusoire et réducteur de vouloir classer un amateur dans telle ou telle catégorie, on peut néanmoins distinguer quatre psychologies différentes bien que pouvant coexister chez tel ou tel amateur.

Les Observateurs du dimanche

Cette tendance se caractérise par la présence non perturbatrice de l'astronomie dans la vie de l'amateur. Elle n'influe pas suffisamment sur ses horaires pour perturber le rythme de vie diurne et n'observe donc qu'exceptionnellement au-delà du milieu de la nuit.

La pratique de l'astronomie est donc pour l'Observateur du dimanche un réel loisir peu contraignant qui ne nécessite pas de planification particulière. Il lit occasionnellement la presse de vulgarisation.

Les Esthètes

Depuis l'apparition des images spectaculaires telles que celles produites par le Télescope spatial Hubble, de nombreux astronomes souhaitent retrouver ces sensations par leurs propres moyens. Retrouver de telles sensations en observation visuelle nécessite l'emploi de télescopes de grand diamètre. Un bon dessinateur pourra coucher sur le papier les splendeurs observées à l'oculaire.

La voie royale reste cependant l'imagerie qui permet d'obtenir des images colorées et parfois spectaculaires de planètes, nébuleuses et autres galaxies. La pratique de l'astronomie peut donc dans ce dernier cas devenir un art à part entière et nécessiter la maîtrise de techniques parfois difficiles à mettre en œuvre et dont la maîtrise s'acquerra petit à petit.

Les Extrémistes

Complémentaire de l'esthète, l'amateur de l'extrême va plus s'attacher à la valeur physique de l'objet observé qu'à son aspect visuel. L'astronome qui se reconnaît dans cette mouvance fait certainement partie des plus conscients du caractère grandiose des objets qu'il observe : il n'hésitera pas à parcourir des centaines de kilomètres pour trouver les conditions qui lui permettront par exemple d'observer quelques amas de galaxies distants de plus d'une centaine de millions d'années-lumière, même si les galaxies de l'amas n'apparaissent que sous la forme de petites taches floues.

Comme l'esthète, il pourra utiliser des techniques d'imagerie ou de dessin pour consigner ses observations même si le support écrit reste le plus répandu ; bien sûr la recherche esthétique passera nécessairement au second plan, au profit de la qualité et de l'originalité de l'information.

Les Semi-professionnels

Cette catégorie est un peu particulière puisqu'elle ne satisfait pas la première différence entre l'amateur et le professionnel : le semi-pro n'effectue ses observations que dans la perspective d'une découverte ou d'une mesure susceptible d'intéresser la science même s'il n'attend en retour aucune rétribution. Les chasseurs d'astéroïdes, de comètes ou de supernovæ se reconnaissent dans cet état d'esprit. On y retrouve aussi des amateurs ayant le goût de la statistique scientifique, avec notamment la mesure des variations d'éclat des étoiles variables, de position des composantes d'étoiles multiples, de phémus, etc. Assez souvent d'ailleurs, les professionnels font appel aux amateurs lorsque les moyens techniques, le budget alloué ou tout simplement le temps consacré aux recherches ne leur permettent pas d'effectuer les programmes d'observation comme ils le souhaiteraient.

L'astronome semi-professionnel peut également avoir en la matière une culture scientifique proche de celle des professionnels. Il a la possibilité, par le biais des ouvrages utilisés pour la formation.

Il n'est pas rare que ce même amateur soit un ancien étudiant en la matière. La maîtrise de l'informatique et de l'anglais sont à ce niveau deux domaines importants auxquels s'ajoutent, si l'on veut aborder et comprendre la partie théorique de l'astronomie, les mathématiques.

Le marché de l'astronomie amateur

Le marché du télescope d'amateur est devenu très concurrentiel : si quelques fabricants américain dominent le marché depuis les années 1970, ceux-ci commencent à décliner dès le début du XXIe siècle au profit de la production chinoise et taïwanaise.

Désormais, moyennant un budget n'excédant pas celui d'un téléviseur d'entrée de gamme, un débutant peut aujourd'hui s'offrir un instrument permettant d'observer sans difficulté les anneaux de Saturne avec la division de Cassini, de séparer des étoiles doubles serrées ou encore de résoudre en partie les amas globulaires les plus brillants comme M22 ou M13.

Cette évolution récente ne laisse pas indifférent. Si de nombreux amateurs sont aujourd'hui ravis de voir leur activité se populariser, d'autres redoutent que l'apparition de ce type de matériel tire vers le bas la qualité générale non seulement des instruments, mais aussi des amateurs et de leurs observations.

Il n'en demeure pas moins que certains amateurs adeptes d'observation visuelle parviennent à réaliser des travaux très intéressants avec du matériel sino-taïwanais ; il faut reconnaître que ces instruments existent depuis les années 2000 dans des dimensions jusque-là réservées aux plus fortunés (jusqu'à 300 mm de diamètre) ; en contrepartie, les amateurs peuvent par exemple investir dans des oculaires à grand champ ou des filtres interférentiels. En outre et d'une manière plus générale, ces nouveaux instruments servent souvent de tremplin vers des accessoires et/ou instruments complémentaires plus haut de gamme qui permettront au débutant d'aller plus loin dans son activité en se spécialisant dans une technique d'observation particulière.

Le dynamisme du haut de gamme

En ce qui concerne l'instrumentation haut de gamme pour l'astronomie amateur, le choix devient extrêmement vaste. Un instrument d'optique est toujours perfectible et l'amateur exigeant n'hésitera pas à mettre le prix pour se rapprocher le plus possible de cet idéal. Une bonne optique n'est rien sans une bonne mécanique pour la servir, et si quelques sociétés allient de telles prestations, l'artisanat conserve de nombreuses cartes en mains, a fortiori en Amérique du Nord et en Europe. Certains acteurs de ce secteur se voient d'ailleurs devenir les victimes de leur succès puisqu'ils connaissent plus ou moins régulièrement quelques difficultés à tenir leurs délais.

Ainsi, à l'opposé du jeune débutant, un amateur confirmé pourra investir dans son observatoire bien plus qu'il n'investirait, par exemple, dans une voiture. Travail de maçonnerie, installation d'une coupole, d'instruments, d'équipements informatiques, etc. : l'astronome amateur pourra faire appel à de nombreux savoir-faire pour pratiquer son loisir dans les meilleures conditions.