Vision : d'où viennent les superpouvoirs de Superman ?

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Futura-Science

À l'aide des connaissances actuelles de la physique, de la chimie et de la physiologie, Roland Lehoucq (http://www.futura-sciences.com/fr/biographie/t/matiere/d/lehoucq_119/) nous montre Superman tel qu'il devrait être constitué pour parvenir à sauver le monde. C'est-à-dire comme nous ne l'avons jamais vu ! Nous découvrirons ici comment voir l'invisible...http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_jcsizmadifl_txdam31603_a902fd.jpg
Superman est doté d'une vision nocturne (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/zoologie-2/d/nocturne_6741/), microscopique et laser (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser_1989/). Peut-il réellement avoir tous ces superpouvoirs de vision ? © Jcsizmadi, Flickr CC by-nc-sa 2.0

Les yeux de Superman voient dans l'obscurité ou à travers les murs (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/mur_10786/). Comment cela est-il possible ?Voir, c'est capter le rayonnement émis, réfléchi ou diffusé par l'objet et le transformer en un signal sensible. Nos yeux réagissent à tout rayonnement lumineux dont la longueur d'onde (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/) est comprise entre 400 et 800nanomètres (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/nanometre_2517/). Ce domaine visible ne représente qu'une fraction ridicule de l'ensemble du spectre (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/spectre_1663/) lumineux qui court des ondes radio (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/radiographie_8791/) au rayonnement gamma. L'essentiel est donc invisible à nos yeux... En revanche, certains animaux perçoivent des longueurs d'onde situées en dehors du spectre visible. Ainsi, l'abeille voit la lumière (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/lumiere_326/) jusqu'à 300 nanomètres, alors que les serpents peuvent détecter le rayonnement infrarouge (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/infrarouge_1011/) grâce à leurs fossettes loréales. Et pour Superman ? De quels organes doit-il être doté pour réaliser ses exploits ? Attention, ça va chauffer..

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Toute matière dont la température est supérieure au zéro absolu (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/zero-absolu_4714/)(-273,15 degrés celsius (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/celsius_333/)) émet des ondes électromagnétiques qui forment le rayonnement thermique.À elle seule, la température fixe la puissance rayonnée par un corps, proportionnelle à la puissance quatrième de la température absolue (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/temperature-absolue_4956/). Ainsi, un corps dont la température est de 600 kelvins (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/kelvin_353/) (soit environ 327 degrés) rayonne une puissance lumineuse seize fois (24) plus importante qu'un autre à température ambiante (300 kelvins soit environ 27 degrés). Ce rayonnement thermique est composé de toutes les longueurs d'onde (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/), quoiqu'en quantités inégales.http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_0fcf24.jpg
Le spectre (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/spectre_1663/) lumineux rayonné par un corps ne dépend que de sa température ; l'énergie émise est d'autant plus importante que le corps est chaud. De plus, lacouleur (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/couleur_4126/) associée au maximum de l'émission (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/emission_389/) se décale vers le rouge quand la température diminue. © DRLa répartition de l'énergie émise entre les différentes longueurs d'onde présentes ne dépend que de la température. Selon la loi découverte en 1893 par le physicien Wilhelm Wien (1864-1928), le maximum d'émission se fait pour une longueur d'onde inversement proportionnelle à la température absolue. Autrement dit, un corps émet l'essentiel de sa lumière (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/lumiere_326/) autour d'une longueur d'onde particulière, d'autant plus grande qu'il est plus froid. Notre principale source de lumière, le Soleil (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/soleil_3727/), émet son maximum de puissance pour la lumière visible jaune dont la longueur d'onde vaut environ 500nanomètres (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/nanometre_2517/) ; cela correspond à une température de 5.770 kelvins. Notre vision, ainsi que celle de la plupart des animaux, est bien adaptée à la lumière solaire et a une sensibilité maximale précisément située dans la gamme de longueur d'onde où le Soleil rayonne le plus d'énergie. Quand laluminosité (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/high-tech-1/d/luminosite_1976/) est suffisante, nous pouvons distinguer toutes les couleurs (http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/matiere-4/d/la-couleur-et-ses-mysteres_757/c3/221/p1/) grâce aux cônes (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/medecine/d/loeil-champion-du-contraste_29960/).http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_011.JPG.jpg
Le rayonnement des braises d'un feu est composé de lumière infrarouge (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/infrarouge_1011/). © Jens Buurgaard Nielsen, Domaine publicLe rayonnement des braises rougeoyantes d'une cheminée (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/cheminee_10588/) est essentiellement composé de lumière infrarouge dont la longueur d'onde est voisine de 3 micromètres (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/micron_5146/). Avec une température de 750 degrés, les braises rougeoient, preuve qu'elles émettent aussi un peu de lumière visible. Lorsque la température devient inférieure à environ 500 degrés, il n'y a quasiment plus d'émission de lumière visible. C'est le cas de notre corps, qui avec une température de surface égale à environ 25 degrés, émet l'essentiel de sa lumière dans le domaine des infrarouges, vers 10 micromètres de longueur d'onde : nous sommes donc invisibles, à nos yeux, dans l'obscurité totale.

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Pour détecter la présence d'un corps chaud dans l'obscurité, il faut adapter le détecteur au rayonnement émis afin de capter le maximum d'énergie. Dans le cas du corps d'un mammifère (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/zoologie-2/d/mammifere_2142/), il faut non plus se contenter de la lumière (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/lumiere_326/) visible, mais utiliser des capteurs (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/technologie-2/d/senseur_8460/) sensibles à la lumière infrarouge (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/infrarouge_1011/) comme le sont les caméras thermiques. L'intensité de la lumière infrarouge reçue permet ainsi de mesurer la température des différentes parties du corps.Cette technique est utilisée en surveillance industrielle pour détecter des pannes. Par exemple, un mauvais contact ou un début de court-circuit (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/court-circuit_10623/) dans une installation électrique crée un échauffement anormal immédiatement repéré. C'est aussi le cas d'un composant défectueux sur une carte électronique. En fournissant une image, la thermographie permet de localiser les pannes potentielles sur un appareil en fonctionnement.http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_04_txdam31602_42991d.jpghttp://www.futura-sciences.com/fileadmin/templates/v4/bg/logitech/pt-loupe.gif (http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicP_04_txdam31602_42991d.jpg)
Principe de la chambre noire, ou sténopé. Le trou percé dans la boîte est suffisamment petit de sorte qu'il ne passe qu'un seul rayon provenant d'un point donné de la source. L'image formée est inversée et toujours nette. La vision thermique de Superman est-elle vraiment efficace ? © EDP SciencesUn moyen de thermographie très sensible consiste à mesurer l'échauffement d'un corps absorbant le rayonnement infrarouge émis par la source. Certains serpents (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/zoologie/d/les-serpents-ne-sont-pas-si-sourds-que-ca_35539/) utilisent ce procédé pour capturer leurs proies dans l'obscurité totale. La nuit, les petits mammifères émettent un rayonnement thermique plus intense que celui du sol, car leur température est plus élevée. Grâce à leurs fossettes loréales, situées entre les yeux et les narines, les crotales détectent le rayonnement thermique émis par leurs proies. Les parois de ces cavités creuses sont tapissées de cellules sensibles au réchauffement provoqué par l'absorption (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/absorption_2910/) de rayonnement infrarouge. Leur sensibilité maximale est adaptée à un rayonnement d'unelongueur d'onde (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/) voisine de 10 micromètres (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/micron_5146/) correspondant au maximum d'émission (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/emission_389/) de proies dont la température est environ 30 degrés. La formation de l'image dans ces récepteurs est des plus rudimentaires. La lumière passant par un petit trou forme sur le fond de la cavité l'image inversée de l'animal observé. De même, dans une chambre noire, ou sténopé, un petit trou percé dans une boîte opaque trie les rayons lumineux incidents. L'image qui se forme au fond de la boîte, du côté opposé au trou, est parfaitement nette car, si le diamètre du trou est suffisamment petit, il n'y passe qu'un seul rayon issu d'un point donné de la source. Dans le cas du serpent, l'image obtenue par ce moyen est trop floue pour permettre au serpent de reconnaître sa cible, car les cellules réceptrices ne sont pas assez petites pour séparer tous les détails. Le prédateur identifie plutôt la proie grâce à son odorat mais cette image lui suffit pour l'atteindre à coup sûr.

Pour voir dans le noir, Superman pourrait donc être doté d'un dispositif similaire. Toutefois, comme nous allons le voir, ce n'est pas si simple, car la thermographie par échauffement, ou bolométrie, a ses limites. La première provient du rayonnement thermique émis par l'environnement proche du détecteur. Si celui-ci est trop important, le signal émis par la source est noyé dans un bruit de fond indésirable. Pour pallier cet inconvénient, les astronomes sont contraints de refroidir leurs détecteurs à infrarouges dans de l'azote liquide pour réduire leur rayonnement thermique propre et améliorer la sensibilité de leurs mesures. De même, seuls des animaux à sang froid (http://www.futura-sciences.com/fr/question-reponse/t/nature-1/d/quest-ce-quun-animal-a-sang-froid_2584/) comme les serpents peuvent utiliser une détection par thermographie : leur température étant plus froide que celle de leur proie, ils ne sont pas trop gênés par leur propre rayonnement. Dans le cas de Superman, son sang chaud perturbera certainement le fonctionnement de son système de vision infrarouge. La seconde limite provient de l'eau contenue dans les yeux : elle absorbera fortement le rayonnement infrarouge incident, réduisant d'autant la lumière reçue par sa super-rétine (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/retine_4322/).

Le bilan de la vision thermique de Superman est plutôt mitigé. Rien ne s'oppose à ce qu'il puisse capter le rayonnement émis par un corps chaud, mais ses performances risquent d'être nettement moins spectaculaires que celles de ses autres pouvoirs. Pour voir dans l'obscurité, il semble plus raisonnable de le doter de cellules photosensibles dont la gamme de perception est légèrement plus étendue que les cônes (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/cone_4127/) humains et d'un tapetum lucidum pour recycler (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/developpement-durable-2/d/recyclage_5774/) la lumière.

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On attribue à Superman un autre pouvoir inconnu sur la Terre, complémentaire de la vision infrarouge (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/infrarouge_1011/) : la capacité d'émettre un « rayon thermique » par ses yeux (« heat vision » en anglais). Par rayon de chaleur, il faut comprendre un faisceau lumineux suffisamment intense pour échauffer fortement la cible, une sorte de laser (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/laser_1989/), quoi !http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_bennorthenfl_txdam31605_e7dd0b.jpghttp://www.futura-sciences.com/fileadmin/templates/v4/bg/logitech/pt-loupe.gif (http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicP_bennorthenfl_txdam31605_e7dd0b.jpg)
La vision laser de Superman est-elle réaliste ? © Ben Northern, Flickr CC by nc nd 2.0Avant de nous demander quelle est la source d'un tel pouvoir, essayons de quantifier l'énergie nécessaire pour faire fondre un kilogramme (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/kilogramme_354/) de fer (http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/chimie/d/le-fer-tombe-le-masque_565/c3/221/p1/). Le calcul s'effectue en deux temps : d'abord, il faut élever la température de l'échantillon de la température ambiante à la température de fusion. Ensuite, il faut fournir, à température constante, l'énergie nécessaire à la rupture des liaisons chimiques entre atomes (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/atome_1990/) de fer (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/fer_721/). Les tables de caractéristiques physiques des corps nous apprennent qu'il faut fournir 460 joules (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/joule_352/) pour élever d'un degré la température d'un kilogramme de fer.À la température de fusion, égale à 1.809 kelvins (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/kelvin_353/), l'énergie de liaison représente environ 227.000 joules par kilogramme. Tout calcul fait, la fusion complète d'un kilogramme de fer nécessite un peu plus de 920.000 joules. Si Superman réalise cet exploit en une minute, cela suppose que chacun de ses yeux rayonne une puissance de 7.700 watts (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/watt_370/). La surface d'émission (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/emission_389/) étant probablement égale à celle de sa pupille (qui est légèrement plus grande que la pupille (http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/medecine-1/d/loeil-la-vision-au-dela-de-la-vision_667/c3/221/p4/) humaine), la puissance surfacique émise par un œil de Superman dépasse 6.500 watts par centimètre carré. Cette valeur est remarquable quand on sait que l'œil humain est fortement incommodé par la vision directe du Soleil (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/soleil_3727/) (la rétine (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/retine_4322/) reçoit de l'ordre de 10 watts par centimètre carré) et détruit par un laser de quelques milliwatts (qui envoie sur la rétine plus de 100 watts par centimètre carré).

Le choix de la longueur d'onde (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/) de la lumière (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/lumiere_326/) émise doit respecter deux contraintes quasiment inconciliables : l'œil de Superman doit êtretransparent (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/transparent_1646/) à la lumière émise pour éviter une absorption (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/absorption_2910/) qui causera un échauffement important ; la lumière doit être parfaitement absorbée par la cible pour augmenter le rendement de la conversion de l'énergie lumineuse en énergie thermique (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/energie-thermique_8185/). Côté mécanisme d'émission, inspirons-nous de certains animaux lumineux comme les lucioles (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/zoologie-2/d/lampyre_9643/) ou certains poissons (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/zoologie-2/d/poisson_10415/) de grandes profondeurs. La bioluminescence (http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/physique/d/la-luminescence-dans-tous-ses-etats_1498/c3/221/p7/) trouve son origine dans une réaction chimique cellulaire. Décrite pour la première fois en 1887 par le physiologiste français Raphaël Dubois, cette réaction fait intervenir une substance particulière, la luciférine, oxydée en présence d'une enzyme (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/enzyme_710/)catalytique, la luciférase. La réaction produit une oxyluciférine et de la lumière.http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_pyro_txdam31607_e8a646.jpghttp://www.futura-sciences.com/fileadmin/templates/v4/bg/logitech/pt-loupe.gif (http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicP_pyro_txdam31607_e8a646.jpg)
Pyrophorus noctilucus, insecte (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/zoologie-2/d/insecte_2305/) bioluminescent (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/biologie-4/d/bioluminescence_6338/). © Gilberto Santa Rosa, CC by 2.0Le coléoptère (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/zoologie-2/d/coleoptere_1675/) Pyrophorus noctilucus, un des plus grands insectes bioluminescents, est aussi le plus lumineux : il rayonne une puissance de 66 millionièmes de watt par centimètre carré. Pour produire la puissance lumineuse nécessaire à la fusion d'un kilogramme de fer, la réaction chimique à l'œuvre dans les yeux de Superman doit être 100 millions de fois plus efficace !

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Superman possède aussi un extraordinaire pouvoir visuel : son regard peut pénétrer des obstacles complètement opaques à lalumière (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/lumiere_326/) visible. Bien pratique pour espionner les méchants à travers les murs (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/mur_10786/) ! Pour accomplir cet exploit, ses créateurs l'ont doté d'une « vision X ». Impressionnant...http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_eylcfl_txdam31604_35d8d1.jpghttp://www.futura-sciences.com/fileadmin/templates/v4/bg/logitech/pt-loupe.gif (http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicP_eylcfl_txdam31604_35d8d1.jpg)
Que nous dit la physique sur la super-rétine (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/retine_4322/) et la vision rayons X (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/rayons-x_1002/) de Superman ? © Eylc, CCby-nc-sa 2.0

Le terme vision X évoque évidemment les fameux rayons X que la médecine utilise largement pour « voir à travers » les tissus et diagnostiquer fractures ou maladies pulmonaires. Les rayons X (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/le-premier-laser-a-rayons-x-atomique-civil-est-ne_36353/) sont des ondes électromagnétiques (c'est-à-dire de la lumière !) de très courte longueur d'onde (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/), de cent à mille fois plus courte que la lumière visible. Cette propriété leur permet de traverser la matière en étant très peu réfléchis, absorbés ou diffusés. C'est pourquoi leur usage est courant en radiographie (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/radiographie_8791/) médicale, où le pouvoir de pénétration des rayons X est bien utile pour établir un diagnostic (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/diagnostic_2662/) sur un organe interne. Grâce aux rayons X, les équipes de sécurité aéroportuaires vérifient le contenu d'une valise sans avoir à l'ouvrir. Dans une conception corpusculaire de la lumière, les rayons X sont associés à des photons (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/photon_3500/) (ou grains de lumière) dont l'énergie est bien plus élevée que celle de la lumière visible (de 100 à 1.000 fois plus). C'est précisément leur haute énergie qui leur permet de traverser la matière. Voici comment.Seriez-vous capable de traverser une cloison de plâtre (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/platre_6935/), même mince, simplement en vous jetant contre elle ? Non bien sûr, mais refaites l'expérience au volant d'une voiture (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/automobile_11105/) roulant à vive allure... La grande vitesse, ou plutôt la grande énergie cinétique (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/energie-cinetique_9430/) fait toute la différence (pour un mobile, c'est le demi produit de la masse par le carré de la vitesse ; pour un photon, c'est le produit de la constante de Planck (http://www.futura-sciences.com/fr/biographie/t/physique-3/d/planck_409/) par la fréquence de la lumière). Les rayons X traversent la matière, certes, mais pas n'importe quelle épaisseur. S'il y a trop d'atomes (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/atome_1990/) sur la trajectoire d'un photon, autrement dit trop d'obstacles, il perd son énergie au fil des diffusions (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/diffusion_1020/) successives, et finit par être absorbé. Pour rencontrer un grand nombre d'atomes, il n'y a que deux solutions : traverser une forte épaisseur de matière ou interagir avec une matière dense, ayant de nombreux atomes par unité de volume. Plus généralement, le paramètre important, celui qui permettra de quantifier la «résistance (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/maison-2/d/resistance_10889/) » aux rayons X d'un échantillon, est le produit de l'épaisseur de l'échantillon par la densité de la matière qui le constitue. Les rayons X sont ainsi capables de traverser sans problème une dizaine de centimètres de tissus organiques, peu denses, mais sont arrêtés par quelques millimètres de plomb, métal (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/metal_3877/) dix fois plus dense que nos tissus. Au passage, cela explique pourquoi on nous raconte que Superman est incapable de voir à travers le plomb.

Pour voir au travers de la matière, les yeux de Superman doivent satisfaire deux conditions : sa super-rétine doit être sensible aux rayons X et, comme pour la lumière visible, il faut que ses yeux comportent un dispositif capable de former une image sur la super-rétine.

Le premier point est délicat car, pour être sensible aux rayons X, il faut que la rétine (http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/medecine-1/d/loeil-la-vision-au-dela-de-la-vision_667/c3/221/p5/) de Superman soit capable de les absorber, pour transformer les photons incidents en impulsions nerveuses. Pour des raisons évidentes d'encombrement, la rétine ne peut pas être épaisse de plus d'une dizaine de millimètres, ce qui lui impose d'avoir une densité supérieure à celle des métaux, disons de l'ordre de celle du plomb. Superman est vraiment un homme de métal ! Il faut ensuite qu'une image se forme sur la rétine, c'est-à-dire que chaque point de l'objet corresponde à un seul point de la rétine. Pour cela, trois types de méthodes peuvent être utilisés : la projection directe, les systèmes à lentilles (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/botanique-2/d/lentille_7665/) ou à miroirs (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/miroir_1009/) et le sténopé.La projection directe, semblable à l'ombre chinoise, est la plus simple des méthodes et ne requiert aucune optique. Elle est utilisée en radiographie médicale depuis la découverte des rayons X : il suffit de placer l'objet entre une source et une plaque photographique. Les systèmes à lentilles sont les plus répandus en lumière visible mais sont malheureusement presque inutiles avec les rayons X. En effet, une onde est réfléchie à la surface d'un matériau lorsqu'elle ne peut y pénétrer. C'est le cas d'une vague ou d'une onde sonore sur une surface rigide ou d'une onde radio ou radar sur un grillage, ou encore de la lumière visible sur une surface métallique. Curieusement, cela revient à dire que les miroirs sont constitués de matériaux très absorbants. Aucune chance donc de concevoir un miroir à rayons X puisqu'au contraire, ceux-ci sont très pénétrants. Notons toutefois que les satellites XMM et Chandra (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/chandra_4208/) observent le ciel en rayon X grâce à des miroirs particuliers, dits à incidence rasante.

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Pour fabriquer une lentille, il faut utiliser un matériau qui réfracte la lumière incidente. En pénétrant dans une lentille de verre (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/geographie-1/d/verres_1643/), la lumière visible est réfractée car sa vitesse de propagation dans le verre est inférieure à celle qu'elle a dans l'air (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/air_4452/). Pour minimiser le temps de trajet, le rayon doit s'incurver. Pour les rayons X, le phénomène de réfraction (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/refraction_880/) est très faible car, à leur longueur d'onde, la vitesse de la lumière est quasiment identique (à 0,001 % près !) dans tous les matériaux. Pour parvenir à focaliser un faisceau de rayons X par une lentille (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/optique-les-lentilles-ultrafines-promettent-des-images-parfaites_40886/) classique, il faudrait en utiliser une de courbure et d'épaisseur si grandes que l'onde incidente y serait quasiment absorbée. Il ne reste donc que le sténopé, un ancien système, pour former des images. Se passant complètement d'un dispositif optique de formation des images, la chambre noire a un défaut : comme peu de lumière entre par le petit trou qu'elle comporte, il faut utiliser des sources assez lumineuses. Transposé à Superman, le dispositif de la chambre noire ne manque pas d'originalité : saboîte crânienne (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/boite-cranienne_3072/) est faite d'une matière opaque aux rayons X et son iris, lui aussi opaque aux rayons X, se contracte pour former un trou de petit diamètre, de l'ordre de quelques dixièmes de millimètres. On comprend mieux pourquoi Superman a toujours refusé de se soumettre à une radiographie !

En étudiant la vision X de Superman, nous avons supposé que la lumière à capter était rayonnée par l'environnement, comme pour la lumière visible. Dans ce cas, les objets qui nous entourent se comportent comme des sources secondaires, qui réfléchissent ou diffusent la lumière émise par les sources primaires, comme le Soleil (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/soleil_3727/) ou les lampes électriques. Comme les rayons X ne sont quasiment pas réfléchis ou diffusés par les matériaux ordinaires, un objet ne peut pas se comporter comme une source secondaire. Les seuls rayons X de notre environnement sont donc émis par des sources primaires qui sont en général des matériaux radioactifs ! Comme ils sont, fort heureusement, rares dans notre environnement, l'image d'une pièce en rayons X ne donnerait presque rien à voir, à part l'écran d'une télévision récemment éteinte ou le cadran de certaines montres fluorescentes.Conclusion : même si Superman capte les rayons X, cela ne lui sera que rarement utile. Heureusement, ses inventeurs ont pensé à tout ! Si l'on en croit les dessins où Superman utilise sa vision X, il émet des rayons X par les yeux et se comporte donc comme une lampe éclairant son environnement. Astucieux ! Nous faisons la même chose avec une lampe de poche, en descendant à la cave : nous éclairons notre voisinage avec une source primaire de lumière. Un objet éclairé est visible parce qu'il réfléchit ou diffuse la lumière incidente. Toutefois, comme nous l'avons vu, les rayons X ne sont presque pas réfléchis ni diffusés. Aucun ne peut donc venir impressionner la super-rétine de notre héros après avoir « rebondi » sur les corps de son voisinage. Superman n'a donc aucun intérêt à jouer la lampe à rayons X...

Le bilan de ce chapitre semble un peu désespérant. Vision thermique et vision X ressemblent plus à des gadgets marketing qu'à de réels pouvoirs kryptoniens. Cependant, les physiciens terrestres n'ont pas encore percé toutes les lois de la nature.

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Il est tout à fait possible que Superman soit doté d'une visionnocturne (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/zoologie-2/d/nocturne_6741/) performante. Pour voir des objets faiblement lumineux, il faut capter de nombreux photons (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/photon_3500/) parmi ceux qu'ils émettent.http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_02_txdam31600_8903b3.jpghttp://www.futura-sciences.com/fileadmin/templates/v4/bg/logitech/pt-loupe.gif (http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicP_02_txdam31600_8903b3.jpg)
Pour avoir une bonne vision nocturne, Superman est probablement doté d'un tapetum jucidum qui réfléchit fortement la lumière (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/lumiere_326/) extérieure. On comprend pourquoi Superman évite d'être photographié ! © EDP SciencesLa solution qui tombe sous le sens est d'augmenter la surface de collection de la lumière, c'est-à-dire d'avoir un récepteur de grand diamètre. C'est précisément dans cette course au gigantisme des télescopes (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/astronomie/d/en-image-premier-miroir-termine-pour-le-giant-magellan-telescope_42520/) que sont lancés les astronomes. Une autre solution consiste à augmenter la sensibilité du détecteur, autrement dit le rendre capable de réagir à un plus petit nombre de photons incidents. Les bâtonnets (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/biologie-4/d/batonnet_4323/) sont si sensibles qu'ils réagissent à l'arrivée d'un unique photon, difficile de faire mieux... C'est pourquoi il vaut mieux, pour voir une étoile (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/etoile_3730/) faible, la nuit, utiliser la vision périphérique, de telle sorte que la lumière stellaire soit perçue par les régions périphériques de l'œil, riches en bâtonnets.Augmenter la sensibilité revient donc à augmenter le nombre de bâtonnets. Considérant que la taille de l'œil est imposée, cela ne peut se faire qu'au détriment des cônes (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/cone_4127/) et donc de la vision des couleurs (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/medecine/d/la-thyroide-permet-la-vision-des-couleurs_29167/). Autrement dit, un œil très sensible voit moins bien les couleurs (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/couleur_4126/). Pour bien voir la nuit, il faut donc avoir de grands yeux remplis de bâtonnets, comme ceux des chouettes. Les animaux nocturnes partagent une astuce très intéressante pour notre propos. Ils possèdent une membrane dénommée le tapetum lucidum, ou « tapis choroïdien ». Il s'agit d'une couche de cellules réfléchissantes disposées derrière la rétine (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/retine_4322/), et qui agissent comme des miroirs (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/miroir_1009/) en renvoyant sur les cellules photoréceptrices jusqu'à 90 % de la lumière qui les touche. Cet efficace recyclage (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/developpement-durable-2/d/recyclage_5774/) de la lumière augmente considérablement la sensibilité en faible luminosité (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/high-tech-1/d/luminosite_1976/) et, dans la quasi-obscurité, le tapetum lucidum donne au regard de ces animaux le même éclat phosphorescent que celui du chat (http://www.futura-sciences.com/fr/services/fonds-decran/animaux/chat/).http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_chat_txdam31608_5fd85a.jpghttp://www.futura-sciences.com/fileadmin/templates/v4/bg/logitech/pt-loupe.gif (http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicP_chat_txdam31608_5fd85a.jpg)
Réflexion de couleur verte par le tapetum lucidum du chat. © Domaine publicUn Superman nyctalope (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/zoologie-2/d/nyctalope_9957/) doit donc être doté d'une grande quantité de bâtonnets et d'un tapetum lucidum pour recycler la lumière qui est passée entre les cellules photosensibles. S'il évite avec tant d'ardeur de se faire photographier avec un flash, c'est certainement pour ne pas laisser sur la pellicule la preuve de l'anatomie (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/medecine-2/d/anatomie_2969/) particulière de ses yeux : le reflet de sontapetum lucidum devrait y apparaître de manière évidente.

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En plus de sa remarquable vision télescopique, Superman est doté du pouvoir de distinguer de très petites choses, habituellement invisibles à l'œil nu.Notre capacité à voir de petits détails est, nous l'avons dit, limitée par la résolution angulaire de l'œil. La taille angulaire (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/taille-angulaire_61/) apparente d'un objet dépend du quotient de sa taille réelle par sa distance. Autrement dit, un objet difficile à percevoir parce qu'il est vu sous un petit angle apparent devient visible si on s'en approche. C'est ce que vous faites spontanément en positionnant cette page à la juste distance de vos yeux (http://www.futura-sciences.com/fr/question-reponse/t/multimedia/d/photo-corriger-les-yeux-rouges_1286/) : trop près, l'œil ne peut plus accommoder, trop loin il ne distingue plus les détails et vous ne pouvez plus lire. Le point le plus proche que l'on peut voir nettement en accommodant au maximum se nomme le punctum proximum.

Sa distance à l'œil dépend beaucoup de l'âge et varie de 10 centimètres chez les enfants à 100 centimètres chez les personnes âgées. Pour un adulte typique, la valeur adoptée généralement est de 25 centimètres. Au voisinage du punctum proximum, l'œil distingue des détails de la taille d'un cheveu, soit environ 50 micromètres (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/micron_5146/). C'est encore trop gros pour Superman, qui semble capable de voir des objets de taille inférieure au micromètre. Alors, comment fonctionne la vision microscopique de Superman ?http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_01_txdam31599_a63031.jpghttp://www.futura-sciences.com/fileadmin/templates/v4/bg/logitech/pt-loupe.gif (http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicP_01_txdam31599_a63031.jpg)
Le microscope (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/technologie-2/d/microscope_11130/) comporte deux lentilles (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/botanique-2/d/lentille_7665/) convergentes. L'image réelle de l'objet à travers la première lentille, l'objectif, est observée avec la seconde, l'oculaire (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/univers-1/d/oculaire_988/), qui en donne une image virtuelle grossie. © EDP ScienceLe principe du microscope (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/technologie-1/d/skylight-greffe-un-microscope-sur-un-smartphone_35143/) moderne, inventé par Zacharias Jansen en 1590, puis perfectionné par Robert Hooke au XVIIe siècle, est fondé sur l'utilisation de deux lentilles. La première est un objectif fortement convergent qui donne de l'objet à observer une image inversée. Cette image est elle-même observée à l'aide d'une seconde lentille convergente, dénommée oculaire, placée de telle sorte que la première image soit dans son plan focal.

À travers l'oculaire, l'œil (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/informatique/d/biometrie-oculaire-les-mouvements-des-yeux-pour-mots-de-passe_41994/) voit l'image finale de l'objet sans accommoder. Pour fonctionner comme un microscope de ce type, l'œil de Superman devrait donc posséder plusieurs lentilles au lieu de l'unique (le cristallin) que nous possédons. Si l'œil de Superman se contente d'une seule lentille, il devra plutôt s'inspirer du microscope utilisé par Antoni Van Leeuvenhoek en 1668 et fondé sur un schéma simple : une lentille formée d'une minuscule bille deverre (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/geographie-1/d/verres_1643/) sertie dans une lame métallique.L'échantillon était placé sur une pointe métallique, solidaire du support et que l'on déplaçait face à la lentille pour en explorer le contenu. L'ensemble était tenu très près de l'œil, face à une forte lumière (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/lumiere_326/), et permettait d'obtenir des grossissements allant jusqu'à 300 fois, suffisants pour observer des objets de quelques micromètres. Inconvénient pour notre héros, la bille de verre utilisée par Van Leeuvenhoek ne mesurait que quelques millimètres de diamètre, un peu faible pour un globe oculaire...

Enfin, la vision (http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/zoologie/d/en-video-lextraordinaire-vision-en-3d-des-corbeaux-caledoniens_42223/) microscopique subit les inconvénients de l'interaction entre matière et lumière. Pour voir de petits objets, il faut les éclairer de telle sorte que la lumière ne soit pas trop diffractée par les plus petits détails. Cela suppose que la lumière incidente ait une longueur d'onde (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/physique-2/d/longueur-donde_4575/) beaucoup plus petite que la dimension des plus petits détails que l'on veut apercevoir. Dans le cas des microbes (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/biologie-4/d/microorganisme_6183/) et des particules de taille supérieure au micromètre, la lumière visible suffit encore. Pour des objets plus petits, il faut remplacer la lumière visible par un autre type de sonde, par exemple un faisceau d'électrons (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/electron_68/) comme dans les microscopes électroniques (http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/biologie-4/d/microscope-electronique_7779/). On comprend donc que Superman, qui doit se contenter de la lumière visible, soit limité dans la taille des plus petits objets qu'il est capable de distinguer. À mon avis, on a beaucoup exagéré la capacité de Superman à voir les petits objets.

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À découvrir aux éditions EDP Sciences (http://publications.edpsciences.org/) : D'où viennent les pouvoirs de Superman ?http://www.futura-sciences.com/uploads/RTEmagicC_book_22.jpg
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