Vision : d'où viennent les superpouvoirs de Superman ?

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Superman possède aussi un extraordinaire pouvoir visuel : son regard peut pénétrer des obstacles complètement opaques à lalumière visible. Bien pratique pour espionner les méchants à travers les murs ! Pour accomplir cet exploit, ses créateurs l'ont doté d'une « vision X ». Impressionnant...
Que nous dit la physique sur la super-rétine et la vision rayons X 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 sont des ondes électromagnétiques (c'est-à-dire de la lumière !) de très courte longueur d'onde, 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 médicale, où le pouvoir de pénétration des rayons X est bien utile pour établir un diagnostic 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 (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, même mince, simplement en vous jetant contre elle ? Non bien sûr, mais refaites l'expérience au volant d'une voiture roulant à vive allure... La grande vitesse, ou plutôt la grande énergie cinétique 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 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 sur la trajectoire d'un photon, autrement dit trop d'obstacles, il perd son énergie au fil des diffusions 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 » 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 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 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 ou à miroirs 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 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, la lumière visible est réfractée car sa vitesse de propagation dans le verre est inférieure à celle qu'elle a dans l'air. Pour minimiser le temps de trajet, le rayon doit s'incurver. Pour les rayons X, le phénomène de réfraction 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 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 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 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 performante. Pour voir des objets faiblement lumineux, il faut capter de nombreux photons parmi ceux qu'ils émettent.
Pour avoir une bonne vision nocturne, Superman est probablement doté d'un tapetum jucidum qui réfléchit fortement la lumière extérieure. On comprend pourquoi Superman évite d'être photographié ! © EDP Sciences

La 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 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 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 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 et donc de la vision des couleurs. Autrement dit, un œil très sensible voit moins bien les couleurs. 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, et qui agissent comme des miroirs en renvoyant sur les cellules photoréceptrices jusqu'à 90 % de la lumière qui les touche. Cet efficace recyclage de la lumière augmente considérablement la sensibilité en faible luminosité et, dans la quasi-obscurité, le tapetum lucidum donne au regard de ces animaux le même éclat phosphorescent que celui du chat.
Réflexion de couleur verte par le tapetum lucidum du chat. © Domaine public

Un Superman nyctalope 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 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 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 : 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. 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 ?
Le microscope comporte deux lentilles convergentes. L'image réelle de l'objet à travers la première lentille, l'objectif, est observée avec la seconde, l'oculaire, qui en donne une image virtuelle grossie. © EDP Science

Le principe du microscope moderne, inventé par Zacharias Jansen en 1590, puis perfectionné par Robert Hooke au XVII^e 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 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 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, 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 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 beaucoup plus petite que la dimension des plus petits détails que l'on veut apercevoir. Dans le cas des microbes 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 comme dans les microscopes électroniques. 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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