Pourquoi est-ce que sur les photos, les étoiles ont des branches?

Les étoiles sont des boules de gaz en fusion, comme notre Soleil. Alors pourquoi les voit-on en photo avec des branches? Comme sur l'image ci-contre.

        Pour le comprendre, il faut aller chercher du côté du comportement même de la lumière, et surtout de son côté ondulatoire. En effet, la lumière est une onde électromagnétique, c'est à dire que pendant qu'un rayon lumineux se propage, un champ électrique et un champ magnétique l'accompagnent, en oscillant régulièrement. Si ceci ne vous parle pas trop, imaginez la lumière s'écartant de l'étoile émettrice comme des vagues s'éloignant du lieu de chute d'un caillou qui vient de tomber à l'eau. D'ailleurs, vagues et lumière ont beaucoup de points de ressemblance. Les vagues subissent le phénomène de diffraction, c'est à dire qu'elles sont capables de contourner les obstacles.

        Si par exemple, on interpose sur le trajet de la lumière venant d'une étoile, un fil métallique vertical, ou bien une fine fente, on observe le même phénomène, celui qui est photographié ci-dessous:

Pour obtenir chacune de ces deux images, c'est très facile. La source de lumière était une lampe de bureau, emballée d'un carton percé d'un petit trou. Ce petit trou est visé par une webcam, dont l'objectif est masqué par une fine fente verticale. Vous verrez alors une dispersion horizontale de la lumière: une tache centrale, et de petites nodosités lumineuses mais plus faibles qui l'encadrent. Plus la fente est étroite, et plus la tache centrale est large. C'est le cas ici de l'image du bas, faite avec une fente très étroite.

        L'aspect irisé de la tache est due au fait que toutes les longueurs d'ondes (donc toutes les couleurs) ne sont pas diffractées également. Les plus grandes (les rouges) le sont plus que les plus courtes (les bleues).

        Revenons à notre étoile: sa lumière entre dans le télescope. Il en existe de nombreux modèles, mais la plupart possèdent un dispositif centré sur l'axe optique de l'instrument, dont le but est de supporter un récepteur, ou de dévier la lumière ailleurs. Il faut donc soutenir mécaniquement cet accessoire au milieu du tube:

Voici un télescope d'amateur. Pour que l'observateur puisse observer confortablement sans avoir a rentrer à l'intérieur du tube (ce modèle ne fait que 20 cm de diamètre...), la lumière est renvoyée sur le côté par un miroir secondaire soutenu ici par une araignée à 4 branches. Chaque branche va alors diffracter la lumière perpendiculairement à son axe. La verticale donnera une tache de diffraction horizontale et réciproquement... On peut alors deviner que cet instrument donnera des étoiles à 4 aigrettes. Si l'araignée à 3 branches, il y aura... 6 aigrettes, puisque chaque branche donne naissance à une tache de diffraction constituée de 2 aigrettes opposées. Heu... vous suivez toujours là?...

        Ah, tiens, pour le plaisir, vous pouvez vous faire de belles étoiles à aigrettes à vous:

La même source de lumière qu'au-dessus, est photographiée cette fois à travers... une passoire à mailles carrées... Vous verrez la même chose de nuit, en observant les lampadaires au loin, à travers les rideaux de vos fenêtres, si les mailles ont la bonne forme.

Petit jeu: le James Webb Telescope produit des images parfois assez proches de celle du Hubble Space telescope, comme ces deux là (galaxie Cartwheel):

Pour savoir quel instrument a pris telle image, il faut connaître sa structure optique, les voilà (à gauche le JWST et à droite le HST)

Pour Hubble, on reconnaît bien "l'araignée" à 4 branches au centre du tube. Comme pour les exemples précédents, les étoiles auront dont 4 branches à 90°. Pour les JWST, c'est à peine plus compliqué, chaque côté du miroir hexagonal va produire son aigrette perpendiculaire au segment, mais le support à 3 branches en avant du trajet de la lumière va aussi jouer son rôle, comme ceci:

Ce qui donne de belles étoiles à 6 branches, les deux segments de support instrumental en bas étant astucieusement parallèles aux bords du miroir, leurs aigrettes seront confondues.

            Or donc, avec un instrument sans support exotique permettant de fixer un instrument en plein milieu du tube, pas d'aigrettes de diffraction? Non, en effet. MAIS, l'objectif lui-même de l'instrument (miroir ou lentille objectif) se comporte comme une ouverture circulaire, qui va diffracter la lumière à sa façon, c'est à dire comme ci-dessous:

Ces deux images ont été obtenues par le même procédé que celui décrit plus haut. Sauf que, devant l'objectif de la caméra, au lieu d'un fil ou d'une fente, c'est un petit trou circulaire qui est placé. Enfin, plus ou moins circulaire ici, puisque le trou a été fait de façon très primaire, à l'aiguille dans une carte de visite... Il ne faut donc pas espérer de miracles côté parfaite circularité. Mais le principe est là: un gros trou donne une petite tache de diffraction (et ses anneaux) alors qu'un plus petit en donne une plus grosse (image du bas). Ces taches s'appellent des taches d'Airy. Tous les instruments donnent cette tache, plus des aigrettes de diffraction si des obstacles se surajoutent au montage optique.

            Là où cela devient drôle (enfin, faut apprécier...), c'est que plus le télescope aura un gros diamètre, et plus les étoiles présenteront un petit "disque" apparent, qui n'a rien à voir avec la surface réelle de l'étoile, mais qui n'est autre qu'une tache d'Airy...

Ainsi, il n'est pas possible de discerner de détails à la surface d'une étoile, pour l'instant, directement avec un télescope. Les étoiles sont trop petites et trop lointaines pour cela. Un des records est celui produit en 1995, en ultra-violet par le télescope spatial, sur Bételgeuse, qui fait pourtant 500 fois la taille du Soleil, mais se trouve à plus de 400 années-lumière de nous. Son diamètre apparent est de l'ordre de 0,05" d'angle alors que la résolution de Hubble est d'environ 0,03" à cette longueur d'onde (1" d'angle = 1/3600ème de degré d'angle).

C'est de l'imagerie directe qui a d'ailleurs permi d'expliquer les baisses de luminosité de cette étoile gigantesque:

Si vous voulez jouer à ces petits calculs de pouvoirs de résolution instrumentaux, c'est très simple:

q est le diamètre apparent minimum (en radian) que peut distinguer un instrument d'optique, l, la longueur d'onde et a son diamètre. Par exemple, le télescope de Keck, à Hawaï, de 10m de diamètre peut distinguer théoriquement des détails jusqu'à 0,01" d'angle (à 550 nm). Mais c'est sans compter sur l'atmosphère, qui brouille les images et limite la résolution aux alentours de 0,1" d'angle...

            Un cas typique des excès d'optimisme est rencontré en traitement des images numériques prises en astronomie d'amateur (et pas que chez les amateurs d'ailleurs). Sur des objets comme Jupiter ou Saturne (planètes gazeuses, donc mouvantes et sans image de référence), en poussant à fond tous les réglages des logiciels de traitement du signal, on finit par obtenir tout un tas de petits détails absolument époustouflants, bien inférieurs à la résolution théorique de l'instrument. Ces détails sont totalement inventés par les logiciels...

            Quand vous verrez des étoiles découpées dans du carton, accrochées dans un sapin de Noël, vous penserez sûrement à... la diffraction.