Optique

Il aura fallu dix ans à la sonde spatiale Rosetta pour rejoindre, le 12 novembre 2014, la comète Tschurjumow-Gerassimenko à 500 millions de kilomètres de la terre. Les comètes sont surtout connues pour leur queue caractéristique. Cependant, c’est le noyau glacé de la comète qui attire cette fois plus particulièrement l’intérêt des scientifiques.

À bord de la sonde, la caméra spéciale, conçue par des chercheurs de l’Institut Max-Planck, envoie à la terre des images spectaculaires. La transmission de ces données se fait en moins de 28 minutes, 20 secondes. Jamais jusqu’ici n’avait-on vu des images si détaillées. Même avec le meilleur télescope terrestre, ces images seraient demeurées floues.

La sonde spatiale Rosetta devant la comète Tschurjumow-Gerassimenko (Collage)

Quels sont les limites de notre vision ? En 1873, le physicien allemand Ernst Abbe estime qu’un microscope optique ne peut montrer de détails éloignés l’un de l’autre de plus d’une demi-longueur d’ondes de la lumière utilisée. Pendant longtemps, les physiciens pensent que la résolution d’un microscope optique ne peut excéder 200 nanomètres.

Mais en 1999, cette limite est franchie. Le microscope STED, développé par le physicien Stefan Hell originaire de Göttingen, révèle des détails de quelques nanomètres seulement. La clé du succès : les minuscules structures sont exposées à un faisceau lumineux – une partie de la lumière qui est émise, est ensuite à nouveau éliminée par un rayon lumineux spécial. Ceci permet d’éviter que les structures adjacentes les unes aux autres n’émettent de lumière mutuellement.

Un nanomètre équivaut à 0,000000001 mètre. La microscopie STED est ainsi de 10 à 100 fois plus performante que la microscopie optique.
» Vidéo ‘‘STED – Éclairage sur l’univers nanométrique“

Structures de protéine dans une cellule observée au moyen d’un microscope STED

Structures de protéine dans une cellule observée au moyen d’un microscope optique

Comment pensons-nous, ressentons-nous, apprenons-nous ? Ces questions ne peuvent trouver de réponse que si nous comprenons précisément la structure et le fonctionnement du cerveau. Pour cela, il est nécessaire de rendre visible les cellules individuelles du cerveau et leurs activités. Le biophysicien Winfried Denk donne un second souffle au microscope optique en le transformant en un microscope biphotonique en fluorescence.

Un laser envoie des photons (petites particules de lumière) dans un échantillon où ils se superposent et s’amplifient en un point défini. De cette façon, les chercheurs peuvent voir jusqu’à environ 1 millimètre de profondeur dans le tissu cérébral et ainsi observer directement le cerveau ’’en action’’.

Contrairement au microscope électronique, ces nouveaux procédés de microscopie optique offrent de grandes possibilités pour la recherche sur le cerveau puisqu’ils permettent d’examiner des cellules et des tissus in vivo.

Vue d’une cellule vivante de rétine à partir d’un microscope biphotonique en fluorescence

Ébola, sida, variole, rougeole, grippe – plusieurs maladies dangereuses sont transmises par des virus. Malheureusement, il faut beaucoup de temps pour que les chercheurs puissent identifier les agents infectieux. La raison tient à la taille extrêmement petite des virus, bien plus petite que celle des bactéries. Il est impossible de voir un virus à l’aide d‘un microscope optique classique.

C’est seulement à partir de 1931, grâce au microscope électronique inventé par le physicien allemand Ernst Ruska, que le monde de l’infiniment petit est observé à l’échelle nanométrique. À la place de la lumière, Ruska utilise des faisceaux d’électrons à ondes courtes. En collaboration avec son frère, le médecin Helmut Ruska, Ernst observe et classifie alors des virus pour la première fois. Grâce à cette découverte, Ernst Ruska reçoit le Prix Nobel de physique en 1986.

Les microscopes électroniques modernes peuvent atteindre une résolution allant jusqu’à 0,1 nanomètre permettant ainsi d’étudier les protéines.

Ernst Ruska au microscope électronique en 1955

Microscope électronique moderne

En 1846, l’astronome berlinois Johan Gottfried Galle découvre la planète Neptune. Le télescope utilisé par Galle est le meilleur télescope de l’époque. Il provient de l’atelier de l’opticien bavarois Joseph von Fraunhofer - seul opticien au début du 19ème siècle capable de produire des lentilles de la plus haute qualité, sans bulles, ni stries.

Les télescopes modernes sont beaucoup plus performants. Par exemple, le Très Grand Télescope de l’ESO (dit VLT), constitué de 4 grands télescopes jumelés, serait capable de reconnaître comme autant de points lumineux, les phares d’une voiture garée sur la lune. À l’aide du VLT, les scientifiques de l’Institut Max-Planck explorent actuellement le trou noir au centre de notre Voie lactée.

Dans un ciel dégagé au-dessus du désert, on pourrait presque toucher les étoiles

Le Très Grand Télescope de l’ESO (VLT) dans le désert d’Atacama au Chili