POUR EN SAVOIR PLUS (1)

Une brève histoire chronologique de l'astronomie et du système solaire

 

 

Introduction

On trouvera ci-après un bref survol de l'histoire de l'astronomie qui se confond avec l'histoire des connaissances humaines. Cette chronologie est principalement centrée sur l'évolution de nos connaissances de l'environnement terrestre et du système solaire. Les autres grandes découvertes seront mentionnées pour mémoire et aussi parce que l'astronomie du système solaire est souvent indissociable de l'astronomie de l'univers tout entier. Remontons donc aux premiers hommes qui levèrent la tête vers le ciel.


I- De l'aube de l'humanité au début du Moyen Âge

Dès l'aube de l'humanité, les hommes furent intrigués par les phénomènes célestes : le caractère périodique de ces phénomènes, l'alternance des jours et des nuits, celle des saisons demandaient une explication. Dans un premier temps, on laissa aux divinités le soin de régler les phénomènes du ciel, ce qui évitait de se poser trop de questions. Cependant, sans vouloir expliquer pourquoi les phénomènes du ciel se produisaient avec une telle régularité, il apparut utile de pouvoir les connaître à l'avance. L'arrivée des saisons, surtout dans les régions tempérées, était cruciale pour la vie de tous les jours. Mais pour pouvoir effectuer une prévision, même très simple, il fallait pouvoir écrire et compter. La mise en place d'une écriture et d'un système de mesure ou de comptage a donc été un préalable à la capacité de prédire les phénomènes célestes et d'établir un calendrier. La capacité de comprendre le pourquoi des phénomènes célestes est une quête autrement plus complexe, quête qui n'est pas terminée aujourd'hui.

L'antiquité préclassique

La civilisation égyptienne est l'une des plus anciennes et les Egyptiens eurent aussi besoin de prévoir les phénomènes périodiques. Rapidement, ils trouvèrent une durée de l'année de 365 jours mais furent amenés à la corriger pour éviter une dérive des saisons. Ils adoptèrent 365 jours un quart plusieurs siècles avant notre ère. Prédire l'arrivée de la crue du Nil était essentiel et le lien avec le lever héliaque de Sirius (c'est-à-dire le jour de l'année où l'étoile Sirius se lève juste avant le Soleil) fut vite trouvé. On a pu constater que les Egyptiens avaient une notion très précise de la direction nord-sud comme le montre l'alignement des pyramides construites plus de 2500 ans avant notre ère. Mais malgré cela, les Egyptiens ne furent pas de grands astronomes. C'est seulement la durée très longue de leurs observations qui leur a permis d'avoir les connaissances ci-dessus. Leur représentation du cosmos était très simpliste et avait recours aux divinités : une Terre plate avec le dieu solaire Râ qui traversait le ciel chaque jour d'est en ouest.

La civilisation mésopotamienne, très ancienne également, considéra aussi pendant près de 3000 ans que la Terre était plate avec un hémisphère supérieur supportant les corps célestes. Cependant, les astronomes babyloniens furent de très grands observateurs, qui reportèrent méthodiquement les positions des corps célestes pendant plusieurs siècles. Il léguèrent ainsi à la postérité des centaines de tables astronomiques très détaillées. Les Mésopotamiens furent les premiers à mathématiser l'astronomie, en écrivant non seulement des tables mais aussi des éphémérides astronomiques, dans lesquelles, au moyen de lois mathématiques simples, ils arrivèrent à prédire les positions futures des astres errants du ciel : le Soleil, la Lune et les planètes. Toutes ces observations furent utilisées plus tard par les astronomes grecs, en particulier Hipparque, .pour la conception de leurs modèles cosmogoniques. Ils mirent aussi en évidence l'inégalité de longueur entre les saisons. Notons enfin que les Babyloniens sont aussi à l'origine de la division du Zodiaque en douze parties de 30° et qu'ils adoptèrent un calendrier lunaire.

 

L'antiquité grecque classique

L'antiquité classique fut marquée par l'extraordinaire avancée due aux philosophes et aux astronomes grecs. C'est à ces savants grecs que nous devons notre conception actuelle de la démarche scientifique, celle de la quête désintéressée de connaissance

et de compréhension. Les Grecs vont en effet dépasser l'aspect purement utilitaire de l'astronomie égyptienne ou babylonienne pour tenter de comprendre la nature et la structure de l'Univers.

On peut schématiquement diviser l'évolution de la science grecque en

grandes étapes :

  • L'époque des présocratiques, celle des premiers balbutiements, où les idées, parfois contradictoires ou farfelues, fusent. Mais c'est à cette époque que naît la démarche scientifique faite de questionnements, d'argumentations, de preuves et de réfutations.

  • L'école athénienne, dominée par la figure d'Aristote, qui va jeter, au travers de son oeuvre immense, les bases d'un modèle physique cohérent du monde qui fera autorité jusqu'à la fin du Moyen Âge.

  • La science hellénistique, florissante à Alexandrie, où l'astronomie grecque va atteindre son apogée, et ce aussi bien dans le domaine de l'observation et de la mesure des distances que dans celui des théories mathématiques de mouvement des corps célestes.

 

Les Présocratiques

On doit la première démarche scientifique de recherche d'une représentation de l'univers à Thalès(625-547 avant J.-C.). Il fonda, au 6ème siècle avant notre ère, l'école des philosophes ioniens à Milet. La Terre était alors supposée de forme géométrique plate. L'un des disciples de Thalès, Anaximandre (610-547 avant J.-C.), supposa une Terre cylindrique habitée sur sa partie supérieure plane. C'est à cette époque que la notion de sphères célestes supportant les corps célestes apparaît : cette notion perdurera jusqu'au Moyen Âge.

Vers la même époque, Pythagore (570-480 avant J.-C.), attire à Crotone de nombreux philosophes et mathématiciens, fondant ainsi l'école pythagoricienne. On y affirma la sphéricité de la Terre, celle du Soleil et de la Lune en étant un indice. Toutes les formes et les mouvements célestes se devaient d'être parfaits, donc sphériques ou circulaires : le philosophe pythagoricien Parménide (-543, -449) fut le premier à exprimer la sphéricité de la Terre ainsi que le fait que la Lune était éclairée par le Soleil.

Au Vème siècle avant J.-C., Empédocle divise le monde terrestre en 4 éléments

distincts : Terre, Eau, Air et Feu.


Vers 434 avant notre ère, Anaxagore prétendait que le Soleil avait la taille du Péloponèse, soit environ 60 kilomètres. Contrairement à ce que supposera Eratosthène 200 ans plus tard, il devait considérer le Soleil comme étant proche de la Terre. Le calcul est alors bien différent ...

L'école Athénienne

Platon (-426, -346), disciple de Socrate et fondateur de l'Académie d'Athènes, plus philosophe que mathématicien, posa le problème astronomique en ces termes : quels sont les mouvements circulaires et uniformes, centrés sur la Terre, qui peuvent " sauver les apparences " des mouvements célestes observés ? C'est à Eudoxe de Cnide (406-355 avant J.C.), mathématicien disciple de Platon, que reviendra de concevoir le premier modèle mathématique basé sur les principes de Platon. Ce modèle, raffiné plus tard par Callipe, est une juxtaposition de 7 assemblages (un pour chaque corps céleste errant) de sphères emboîtées les unes dans les autres, chacun étant entraîné par le mouvement en 24h de la sphère des étoiles " fixes ".

Aristote de Stagire (384-322 avant J.-C.), un disciple de Platon, précepteur d'Alexandre le Grand, peut sans doute être considéré comme le plus grand savant de l'Antiquité.

Son oeuvre colossale, composée de plusieurs dizaines de volumes, abordera aussi bien l'astronomie, la physique que la botanique ou la médecine. Aristote va en particulier développer un modèle physique, fondé sur l'observation et la perception intuitive des phénomènes, dont l'influence sera déterminante pour les siècles à venir. Sa conception de l'Univers est basée sur 3 dogmes fondamentaux : 1) la Terre est immobile au centre de l'Univers, 2) il y a séparation absolue ente le monde terrestre imparfait et changeant et le monde céleste parfait et éternel (la limite étant l'orbite de la Lune), 3) les seuls mouvements célestes possibles sont les mouvements circulaires uniformes.

La Terre immobile est faite des quatre éléments eau, air, terre et feu. Aristote pense même avoir " démontré " l'immobilité de la Terre avec un argument basé sur le fait que si la Terre était en mouvement nous devrions en ressentir directement les effets. Le ciel parfait est fait d'un cinquième élément (la " quintessence ") : l'ether. Pour ce qui est de la mécanique céleste, Aristote reprendra le système de sphères emboîtées d'Eudoxe, mais en lui donnant une cohérence " physique ", c'est à dire en considérant un seul et gigantesque emboîtement de 55 sphères centrées sur la Terre au lieu de 7 systèmes indépendants, ce qui était physiquement absurde . La sphère extérieure est bien entendu toujours celle des fixes. Ce système présentait cependant un défaut majeur, qui sera mis en évidence au siècle suivant. S'il rendait en effet compte à peu près correctement des mouvements des planètes, il ne pouvait expliquer leurs variations d'éclat au cours de l'année, car dans ce modèle les planètes étaient supposées à une distance constante de la Terre. Certes, Aristote aurait pu invoquer une variation intrinsèque de l'éclat des planètes, mais cela était incompatible avec son dogme sur la perfection et l'immuabilité des cieux.

Il semble qu'au 4ème siècle avant notre ère, Héraclide du Pont (388-310 avant J.-C.) envisagea que la sphère des fixes était immobile et que la Terre tournait autour de son axe, ce qui expliquerait le mouvement diurne des étoiles (mais les sources écrites sont ici très ténues et incertaines).

La science Hellénistique

Les conquêtes d'Alexandre le Grand (mort en 323 av. J.C) vont étendre l'influence de la culture grecque sur une vaste portion du proche et du moyen orient. L'influence d'Athènes va diminuer au profit du nouveau et brillant centre culturel qu'est Alexandrie en Egypte. C'est ici, autour du Musée et de la Grande Bibliothèque, que vont se regrouper les plus brillants savants.

Au 3ème siècle avant notre ère Eratosthène (284-192 avant J.-C.) fit la première mesure précise du rayon terrestre : il utilisa le fait que l'ombre portée d'un bâton à midi faisait 7° 10' le jour du solstice à Alexandrie alors qu'elle était nulle (le Soleil était au zénith) 800 kilomètres plus au sud à Syène sur le tropique du Cancer. Ce fut le premier calcul mathématique de mesure dans le système solaire. Il trouva ainsi 6500 kilomètres pour le rayon terrestre, soit une valeur remarquablement correcte.

A la même époque vécut Aristarque de Samos (310-230 avant J.-C.), dont l'oeuvre est attestée par très peu de traces écrites. Il fut sans doute un des premiers à estimer (avec une remarquable précision) la distance Terre-Lune. Il proposa par ailleurs une méthode astucieuse afin de calculer la distance Terre-Soleil, mais des problèmes de précision de mesure l'amenèrent à sous estimer d'un facteur 20 celle-ci (et par conséquent également la taille du Soleil). Aristarque est par ailleurs crédité (mais le seul témoignage écrit en est une phrase d'un manuscrit d'Archimède) pour avoir proposé un modèle héliocentrique du monde, dont nous ne savons hélas pas grand chose.

Appolonius de Perge (-262, -190) fut avant tout un très grand mathématicien, dont l'oeuvre majeure reste son ouvrage sur les coniques. En astronomie, il fut le premier à remettre un cause le système de sphères emboîtées d'Aristote. Il introduisit la notion de cercle excentrique, dont le centre est décalé par rapport à la Terre, et de cercles épicycles, i.e. un cercle dont le centre est lui même en rotation sur un autre cercle beaucoup plus grand. En combinant ces épicycles et ces excentriques, il est possible de reproduire le mouvement de la Lune, du Soleil et des planètes (tous ces mouvements restant bien entendu centrés sur la Terre). Cependant, nous ne savons pas si Appolonius alla au delà de ce concept et proposa effectivement un modèle géométrique des mouvements planétaires.

Principe de l'épicycle

 

Au 2ème siècle avant notre ère vécut Hipparque(-190, -120), peut-être le plus grand astronome de l'Antiquité. Hipparque fut avant tout un grand observateur. Il réalisa ainsi une cartographie du ciel recensant environ un millier d'étoiles, avec une précision de mesure remarquable d'environ 20 minutes d'arc. En reprenant des archives Babyloniennes et en les comparant à ses propres mesures, Hipparque mis en évidence le phénomène de précession des équinoxes, qu'il estima être de 36 secondes d'arc par an (la vraie valeur est de 50 secondes). Hipparque calcula également assez précisément la longueur de l'année tropique : 365 jours 5 heures 55 minutes 12 secondes (la vraie valeur était 365 jours 5 heures 48 minutes 46 secondes). Il construisit par ailleurs un modèle géométrique du mouvement du Soleil pour rendre compte de l'inégalité des saisons, modèle tranchant radicalement avec les sphères emboîtées d'Eudoxe ou Aristote. Dans ce modèle, conforme aux conceptions mathématiques d'Appolonius, le Soleil tourne autour sur un cercle dont le centre n'est plus la Terre mais un point fictif décalé par rapport à celle-ci (ce cercle excentrique est en fait une manière de rendre compte de l'ellipticité de l'orbite de la Terre autour du Soleil).

Au premier siècle avant notre ère, Jules César (100-44 avant J.-C.) fit appel à l'astronome Sosigène d'Alexandrie (1er siècle avant notre ère) pour réformer le calendrier romain trop imprécis. Il adopta l'année de 365 jours un quart qui devait perdurer en occident jusqu'en 1582 (calendrier julien). Le monde romain ne compta que peu d'astronomes qui furent plus occupés à décrire l'univers qu'à tenter de lui trouver une représentation d'ordre scientifique.

L'astronomie grecque va connaître son apogée au 2ème siècle de notre ère avec l'astronome alexandrin Claude Ptolémée (100-170). Ptolémée va faire la synthèse de tous les travaux de ses prédécesseurs (en particulier Hipparque) et va les parachever en proposant un système physique et mathématique du ciel qui restera incontesté pendant près de 14 siècles. Tous les travaux astronomiques de Ptolémée sont quasiment regroupés dans un seul ouvrage majeur, la "grande syntaxe mathématique", plus connu sous le nom que lui donnèrent les Arabes : l'Almageste. L'Almageste reprend dans ses grandes lignes la vision aristotélicienne du monde physique, avec les mêmes dogmes et principes : dichotomie Terre/Univers, immobilité de la Terre, etc.

 

Toutefois Ptolémée rejettera le modèle des sphères emboîtées et se placera dans la continuité des systèmes d'Apolonius et d'Hipparque. Il perfectionna cependant grandement ces modèles en introduisant la notion de point équant, un point fictif symétrique de la Terre par rapport au centre excentrique de l'orbite d'une planète. Le mouvement de cette dernière est alors circulaire autour de l'excentrique, mais uniforme autour du point équant. Par ailleurs, s'ajoutent à cela un ou plusieurs cercles épicycliques centrés sur ce premier cercle équant. Le système résultant est extrêmement complexe, mais d'une précision mathématique remarquable (le modèle

de Ptolémée permet ainsi de prédire des éclipses de Soleil). La perfection de ce modèle fera qu'il ne sera globalement pas remis en cause avant le XVIème siècle.

Hors du monde grec et latin, des travaux astronomiques étaient-ils menés ? En fait, très peu. En Inde, le modèle de cosmos montrait que le Soleil et les planètes tournaient autour d'une montagne sacrée de l'Inde. Les mathématiciens indiens introduisirent le zéro au début de notre ère mais l'astronomie indienne ne prit son essor que beaucoup plus tard. En Amérique, les Mayas et les Aztèques observaient les mouvements célestes pour des raisons religieuses. Leurs nombreuses observations réalisées sur plus de mille ans leur permirent d'obtenir des périodes correctes pour les planètes et une très bonne durée de l'année tropique. Aucun modèle cosmologique évolué n'en a été déduit.

II- Le Moyen Âge

Le début du Moyen Âge occidental (jusqu'au XIIème siècle) se caractérise par un oubli quasi complet des acquis de la science grecque, la majeure partie des ouvrages antiques ayant été perdus lors de la chute de l'Empire Romain d'occident. Quelques concepts fondamentaux sont transmis par quelques érudits, mais la science occidentale reste longtemps dans un état plus que médiocre. En fait, la science grecque continuera à fructifier ailleurs : le monde arabe et musulman.

 

L'astronomie arabe médiévale

Dès le VIIIème et le IXèmesiècle, les Arabes vont faire traduire dans leur langue la plupart des grands textes scientifiques et philosophiques de l'Antiquité, en particulier les oeuvres d'Aristote et l'Almageste de Ptolémée. Les Arabes seront avant tout de grand mathématicien, utilisant la numération décimale (facilitant les calculs, contrairement au système romain) et important le zéro de l'Inde. Il perfectionnèrent par ailleurs la géométrie et la trigonométrie grecque et inventèrent l'Algèbre. En astronomie, il perfectionnèrent le modèle de Ptolémée et l'amenèrent à un degré de précision prodigieux. Ils ne remirent cependant jamais en cause le dogme aristotélicien du géocentrisme.

Un bref survol de l'astronomie Arabe fait ressortir quelques faits et noms majeurs :

Au 9ème siècle, Abou Masar (785-886) décrivit le phénomènes des marées. L'astronome persan Abd al Rahman al Sufi (903-986) dressa un catalogue d'étoiles à partir de celui d'Hipparque et il est à noter que la plupart des noms d'étoiles utilisés aujourd'hui viennent de ce catalogue.

Au 11ème siècle, Al Biruni (973-1050), astronome persan, développa la trigonométrie sphérique, améliora la précision des instruments de mesure et détermina le rayon terrestre à 6340 kilomètres (qui est en réalité de 6378 km). Al Biruni remarqua la variabilité de l'étoile Algol, variabilité qui était en contradiction avec la physique d'Aristote.

Au 13ème siècle, les souverains mongols encouragèrent l'astronomie, créant observatoires et bibliothèques. Cette activité fut de courte durée et l'arrêt des travaux astronomiques dans le monde arabe laissa le champ libre à l'astronomie occidentale européenne.

 

L'essort de l'occident

A partir du XI ème et surtout du XII ème siècle, les occidentaux (au travers notamment de leurs conquètes en Sicile et surtout en Espagne) vont mettre la main sur les grands textes grecs traduits par les Arabes. La traduction de ces textes en latin, notamment ceux d'Aristote qui va devenir "La" référence absolue de la pensée occidentale de l'époque, va permettre l'essor des grandes Universités européennes de l'époque : Paris, Oxford, Bologne, etc. En un siècle, les occidentaux vont refaire leur retard sur les Arabes et vont être capable de parfaitement comprendre et maîtriser l'essentiel de la science grecque. La voie est alors ouverte pour le grand bouleversement de la Renaissance.

III- De la Renaissance à la fin du 17ème siècle

La Renaissance

En un peu moins d'un siècle, la vision du monde héritée des grecs va être totalement remise en cause par quelques penseurs de génie. Quand meurt Galilée en 1642, il ne reste quasiment plus rien de la physique d'Aristote et de ses dogmes fondamentaux.

Nicolas Copernic (1473-1543), un chanoine et astronome polonais, va remettre en cause le modèle géocentrique du monde de Ptolémée et d'Aristote dans un ouvrage publié l'année de sa mort : le "De Revolutionibus orbium caelestium". Cet ouvrage propose un modèle héliocentrique du monde, dans lequel tous les mouvements planétaires sont centrés sur le Soleil. Mais surtout, ce que Copernic va affirmer c'est que la Terre n'est ni immobile, ni au centre du monde. Elle est en effet animée de 2 mouvements : l'un sur elle-même en 24h (qui remplace le mouvement de la sphère des fixes des Grecs anciens) et l'autre autour du Soleil en un an, faisant de la Terre une planète comme les autres. Contrairement à ce que l'on croit parfois, Copernic ne va pas démontrer l'héliocentrisme, car il faudra attendre plus de 150 ans pour avoir une preuve du mouvement de la Terre. L'argument de Copernic est que son modèle est plus simple, plus logique et plus "harmonieux" que celui de Ptolémée (même si dans le détail le fonctionnement mathématique du système copernicien est assez complexe).

Le De Revolutionibus, malgré son côté fondamentalement révolutionnaire, fut reçu avec relativement d'indifférence par les savants de l'époque. Les travaux de Copernic connurent dans un premier temps la célébrité grâce aux éphémérides des planètes qui en furent déduites : les tables pruténiques calculées par Reinhold (1511-1553), qui finirent par détrôner les tables alphonsines, fondées sur l'Almageste et alors utilisées.

Ce fut ainsi un astronome polonais qui remit l'héliocentrisme à la lumière.

Tycho Brahe (1546-1601) fut avant tout un observateur hors pair. Il construisit ses instruments lui permettant d'atteindre une précision de mesure inégalée (2 minutes de degré). Il effectua des observations continues du Soleil, de la Lune, des planètes et des étoiles pendant trente ans et constata les erreurs des tables d'éphémérides de l'époque. Il observa la supernova de 1572 ce qui sera le point de départ de la remise en cause de l'immuabilité de la sphère des fixes d'Aristote et de Ptolémée. Il observa une comète en 1577 et, là aussi, il prit en défaut les théories d'Aristote : la comète n'appartenait pas au monde sublunaire et son orbite coupait celles des autres planètes. Il ne put mesurer de parallaxe annuelle des étoiles, ce qui lui fit adopter le système géohéliocentrique.

Giordano Bruno (1548-1600) était plus un philosophe qu'un astronome mais il introduisit une vision du monde fondée sur un univers infini qui tranchait avec les idées admises alors. Il défendit aussi l'idée de la pluralité des mondes habités autour des étoiles et celle que la Terre n'était pas le centre de l'univers, pas plus que le Soleil. Il se heurta à l'Inquisition, ce qui n'était pas prudent à l'époque.

Johannes Kepler (1571-1630), très grand calculateur et mathématicien, eut la chance de prendre la suite de Tycho Brahe dont il analysa les observations. Kepler fut capable d'en déduire les orbites des planètes et d'énoncer les lois qui portent son nom et qui caractérisent ces orbites. Il introduisit pour la première fois la notion d'orbite elliptique, rompant avec les sacro-saints mouvements circulaires uniformes érigés en dogme par les Grecs. Kepler montra par ailleurs que les plans des orbites planétaires passaient par le Soleil et non par la Terre, ce qui contredisait un des postulats du géocentrisme. Il conserva cependant les théories d'Aristote et repoussa l'idée d'un univers infini, en opposition avec G. Bruno. Il publia des éphémérides fondées sur son modèle et les observations de Tycho Brahe en 1627 : les tables rodolphines.

Galilée (1564-1642) était d'abord un physicien et il étudia la mécanique et la dynamique des corps en mouvement. Galilée démontra l'invariance de l'accélération dans le champ de pesanteur terrestre à la surface du globe et établit la loi de l'inertie (tout corps non soumis à une force extérieure est animé d'un mouvement rectiligne uniforme et se trouve dans un référentiel que l'on nomme aujourd'hui "galiléen"). C'est à la fin de l'année 1609 et au début de 1610 qu'il a l'idée de braquer une lunette d'approche récemment inventée et qu'il a construit lui-même vers le ciel. Ses découvertes seront nombreuses et vont bouleverser la vision de l'univers de l'époque. Il observa des taches sur le Soleil, des cratères sur la Lune, les phases de Vénus, une multitude d'étoiles dans la Voie lactée et des satellites autour de Jupiter. Cette dernière découverte donnait le coup de grâce au géocentrisme. Il adhéra aux idées de Copernic et à l'héliocentrisme sans pouvoir le démontrer et ne considéra pas le géohéliocentrisme qui nous semble aujourd'hui être une étape incontournable dans l'élaboration d'un modèle d'univers.

En temps, le monde occidental était entré dans une nouvelle ère en 1582. A cette date, le calendrier julien toujours en usage avait en effet dérivé de 10 jours par rapport aux saisons. Déjà quelques papes s'en étaient inquiétés mais c'est Grégoire XIII (1502-1585), qui fit la réforme en faisant appel à l'astronome Clavius (1537-1612). Le calendrier julien prit donc fin le jeudi 4 octobre 1582, qui fut suivi par le vendredi 15 octobre du calendrier, plus précis, qui prit le nom de grégorien et que nous utilisons toujours.

Le 17ème siècle

Ce siècle va annoncer l'astronomie moderne. C'est au 17ème siècle que les observatoires modernes vont être fondés : Paris en 1667 (on y publiera des éphémérides dans la Connaissance des temps dès 1679) et Greenwich en 1675, mais aussi Leyde en Hollande en 1632, Copenhague au Danemark en 1637 et Strasbourg en 1690. Les gouvernements vont prendre conscience de l'intérêt stratégique de l'astronomie qui fournit l'heure et la position sur la surface de la Terre et qui permet de mesurer les territoires. Outre les observatoires, ce sont les académies des sciences qui apparaissent au 17ème siècle : la Royal Society à Londres en 1660, l'Académie Royale des Sciences à Paris en 1666, puis de nombreuses académies en province.

René Descartes (1596-1650) apporta alors une vision complètement nouvelle de l'univers. L'univers évolue seul : il n'est point besoin d'un dieu intervenant à tout moment. Descartes étudia l'optique et fit une théorie de la réflexion et de la réfraction. Il introduisit les concepts mathématiques en physique, en particulier un système de coordonnées aujourd'hui dites cartésiennes facilitant les calculs.

Pierre Gassendi (1592-1655) observa le premier passage de Vénus devant le disque solaire et lutta contre l'astrologie. Il fut nommé professeur au collège de France en 1631 mais il fallut attendre la décision de Colbert en 1666 d'interdire l'enseignement de l'astrologie à l'université pour que soit reconnu le fait que l'astrologie n'était pas une science.

Johann Hévélius (1611-1687) était citoyen de la ville de Dantzig : il construisit des instrumentsastronomiques de plus en plus grand (il amena la précision de mesure à une minute de degré) et observa la surface de la Lune qu'il cartographia, Jupiter, Saturne ainsi que les taches solaires. Il émit l'hypothèse que les comètes suivaient des orbites paraboliques dont le Soleil occupait le foyer. Enfin, il publia un catalogue de 1500 étoiles.

Christian Huygens (1629-1695), hollandais, développa une théorie ondulatoire de la lumière. Il construisit des lunettes astronomiques puissantes et découvrit Titan, le plus gros des satellites de Saturne en 1655. Il expliqua que l'anneau de Saturne était en fait un mince disque de matière sans contact avec la planète en 1659. En 1673, il publia la loi sur l'accélération centrifuge des corps en mouvement circulaire. Il séjourna quinze ans en France sur l'invitation de Colbert.

Jean-Dominique Cassini (1625-1712), né dans le comté de Nice alors italien, fut le premier directeur de l'observatoire de Paris sans cependant en avoir le titre puisque l'observatoire dépendait de l'académie royale des sciences. Entre 1671 et 1684 Cassini découvrit trois satellites de Saturne : Téthys, Rhéa et Japet. En 1675, il remarqua que l'anneau de Saturne était fait de deux parties distinctes séparées par un espace vide que l'on appelle depuis la "division de Cassini". Ses fils, petit-fils et arrière-petit-fils lui succédèrent créant ainsi une dynastie d'astronomes à la tête de l'observatoire de Paris.

 

Le danois Ole Roemer (1644-1710), assistant de Jean-Dominique Cassini à l'observatoire de Paris, trouva une explication aux retards observés des phénomènes des satellites de Jupiter : la transmission de la lumière n'est pas instantanée mais se fait avec une vitesse finie. On n'a pas compris à l'époque toute la signification d'un tel fait.

Au 17ème siècle vécurent aussi des mathématiciens de génie : Blaise Pascal (1623-1662) en France qui inventa la première machine à calculer ainsi que le calcul des probabilités, et Gottfried von Leibniz (1646-1716) en Allemagne qui découvrit, en même temps que Newton, le calcul infinitésimal ou calcul différentiel.

Isaac Newton (1643-1727) réussit à unifier les diverses théories de ses prédécesseurs. En 1687 Newton publie l'ensemble de ses travaux reliant la mécanique et l'astronomie dans son oeuvre majeure Philosophiae Naturalis Principia Mathematica désignée par "Les Principes". Il montre que la loi de la gravitation universelle (deux corps subissent une force d'attraction proportionnelle au produit de leurs masses, divisé par le carré de la distance qui les sépare) explique aussi bien la chute d'un corps sur Terre, l'oscillation du pendule que les mouvements de la Lune et des planètes. Il fut également l'inventeur du premier télescope à miroir exempt des aberrations des lunettes réfractrices utilisées jusqu'alors.

Edmund Halley (1656-1743) fut un observateur de talent : il découvrit le premier que les étoiles n'étaient pas fixes mais animées d'un mouvement propre grâce à des observations anciennes de Sirius, Procyon et Arcturus. Surtout, il observa un grand nombre de comètes et, appliquant les principes de Newton, montrer que les comètes de 1378, 1456, 1531, 1607 et 1682 n'étaient en fait qu'une seule et même comète à cause de leurs éléments orbitaux très proches. Il put ainsi prévoir le retour de cette comète pour 1759, comète désignée désormais sous le nom de "comète de Halley".

IV- Le 18ème siècle

Durant tout le 18ème siècle, l'astronomie moderne va se mettre en place. Des expéditions scientifiques vont être organisées pour réaliser des observations astronomiques et pour mesurer la Terre. On vérifiera ainsi la loi de Newton : puisque l'accélération de la pesanteur doit être différente aux pôles et à l'équateur, la Terre doit être aplatie. Une expédition en Laponie en 1737 (dirigée par Maupertuis) et une autre au Pérou en 1735 (sous la direction de La Condamine) destinées à mesurer un arc de méridien d'un degré vont le montrer.

Pierre Bouguer (1698-1758) fut l'un des membres de l'expédition du Pérou mais aussi l'astronome créateur de la photométrie et de méthodes fiables de mesure de la lumière. Il mit au point l'héliomètre destiné à mesurer des petits angles tels que le diamètre du Soleil.

Les Cassini : Jacques Cassini (1677-1756) succéda à son père, le premier directeur de l'observatoire. Il commit l'erreur de ne pas croire à l'aplatissement du globe terrestre.César-François(1714-1784), fils de Jacques, devint le troisième directeur et obtint le titre officiel de directeur général de l'observatoire en 1771. Il fut très actif dans la réalisation de la carte de France. Jean-Dominique (1748-1845), arrière petit-fils du premier directeur, acheva la réalisation de la carte de France dite "carte de Cassini" commencée par ses prédécesseurs et fut le dernier de la dynastie des Cassini.

Alexis Clairaut (1713-1765) fut l'un des membres de l'expédition en Laponie. Il s'attaqua à des problèmes de mécanique céleste comme celui des 3 corps appliqué au système Terre-Lune perturbé par le Soleil. Il appliqua la théorie de la gravitation universelle aux comètes, en particulier aux perturbations de Jupiter et Saturne sur la trajectoire de la comète de Halley.

Nicolas Louis de la Caille (1713-1762) fit un catalogue de plus de 10 000 étoiles de l'hémisphère sud et effectua la première détermination à peu près correcte de la parallaxe lunaire en 1751.

Charles Messier (1730-1817) fut un chasseur de comètes (il en découvrit 16 de 1759 à 1801) et réalisa un catalogue de 300 objets non stellaires (connu encore de nos jours sous le nom de catalogue Messier) afin d'éviter toute confusion avec des comètes nouvelles.

Jean-Baptiste Le Rond d'Alembert (1717-1783) publia un traité de dynamique contenant le théorème sur les forces d'inertie connu aujourd'hui sous le nom de théorème de d'Alembert. Il établit également les équations du mouvement de la Terre autour de son axe et réalisa la première théorie mathématique de la précession.

Joseph Jérôme Le Français de Lalande dit "Lalande"(1732-1807) détermina la parallaxe solaire à l'aide d'observations de Mars et améliora les tables planétaires et cométaires d'Halley.

Joseph-Louis de Lagrange (1736-1813)mathématicien publia un traité de mécanique analytique, étudia les équations différentielles et celles aux dérivées partielles et posa le système général d'équations du mouvement des deux corps perturbés, système qui porte aujourd'hui le nom d'équations de Lagrange. On a donné son nom aux cinq points d'équilibre d'un système à deux corps de masses très différentes en mouvement autour de leur centre de gravité commun (les points de Lagrange).

James Bradley (1693-1762), astronome anglais, découvrit en 1728 l'aberration annuelle des fixes déplaçant les étoiles et due à la vitesse finie de la lumière. Cela lui permit de faire une détermination de la vitesse de la lumière plus exacte que celle de Roemer. En 1748, il découvrit la nutation luni-solaire, mouvement périodique de l'axe de rotation de la Terre se superposant au mouvement de précession.

Leonhard Euler (1707-1783), mathématicien suisse, étudia les perturbations mutuelles de Jupiter et de Saturne ainsi que les orbites paraboliques des comètes. On lui doit la définition des "angles d'Euler" permettant la détermination de la position d'un solide en mouvement dans un trièdre trirectangle.

William Herschel (1738-1822), astronome allemand naturalisé anglais, construisit ses propres télescopes et étudia les étoiles doubles. Il découvrit la planète Uranus en 1781, deux satellites d'Uranus (Titania et Obéron) en 1787 et deux satellites de Saturne (Mimas et Encelade) en 1789. Il dressa également une carte de la Voie Lactée.

La révolution française

La révolution française fut d'abord méfiante envers les astronomes "La Révolution n'a pas besoin de savants·" et supprima l'Académie Royale des Sciences. Des astronomes payèrent de leur vie leur engagement politique tel Jean-Sylvain Bailly (1736-1793) auteur d'une remarquable théorie du mouvement des satellites de Jupiter, maire de Paris de 1789 à 1791 et guillotiné. En 1792, un nouveau calendrier, le "calendrier républicain", fut mis en place, puis des heures décimales en 1793, rapidement abandonnées. En 1790, les poids et mesures furent uniformisés et on introduisit le système métrique fondé sur la définition du mètre comme étant la dix-millionième partie d'un quart de méridien terrestre. Pour cela, Pierre Méchain(1744-1804) et Jean-Baptiste Delambre(1749-1822) achevèrent la mesure du méridien entre Dunkerque et Barcelone. Méchain participa aussi à la détermination de la différence de longitude entre Paris et Greenwich. A partir de 1795, vont être créés : l'Institut de France comportant des classes destinées à remplacer les anciennes académies, l'école polytechnique et l'école Normale Supérieure, puis le Bureau des longitudes chargé de gérer l'observatoire de Paris et de développer les recherches sur la détermination des longitudes destinées à donner la maîtrise des mers à la flotte française.

Pierre-Simon de Laplace (1749-1827)astronome, mathématicien, physicien et homme politique ayant traversé sans dommage la période révolutionnaire, est le père de la mécanique céleste moderne. Il publia à partir de 1798 un traité de mécanique céleste synthétisant tous les travaux de Newton, Halley, Clairaut, d'Alembert, Euler. Dès 1796,

il publia son "Exposition du système du monde" où il décrivit son modèle cosmogonique : le système solaire proviendrait d'une nébuleuse primitive se condensant sous l'effet

du refroidissement et de la rotation de l'ensemble. Il publia aussi un grand nombre de lois nouvelles mathématiques et physiques. Laplace va conclure le 18ème siècle brillamment : les outils sont en place et la porte est ouverte pour de nouveaux progrès.

 


V- Le 19ème siècle

Le premier janvier 1801, Giuseppe Piazzi (1746-1826) découvre une nouvelle planète qu'il nomme Cérès entre Mars et Jupiter. On crut avoir trouvé la planète manquante entre Mars et Jupiter mais en 1802, 1804 et 1807 on en découvrit d'autres que l'on nommera Pallas (découvert par Olbers), Junon (découvert par Harding) et

Vesta (découvert par Olbers). C'étaient les premières "petites planètes" d'une longue liste (plus de 15 000 aujourd'hui), appelés ultérieurement "astéroïdes".

La découverte de Neptune et le triomphe de la mécanique céleste.

Après la découverte d'Uranus par Herschel en 1781, on fit des tables de positions de cette planète à partir des observations et des lois de la mécanique céleste, mais, en 1821, Alexis Bouvard (1767-1843) constata que la planète s'éloignait étrangement de

sa trajectoire calculée, bien au-delà de la marge d'erreur possible des calculs. Il

apparut alors qu'un corps étranger devait perturber le mouvement de la planète Uranus. En Angleterre, John Adams (1819-1892) entreprit de déterminer la position de ce corps à partir de l'analyse théorique des écarts entre observations et calculs. A la même époque Urbain Jean-Joseph Le Verrier (1811-1877), à Paris, effectua la même analyse. Les deux hommes parvenaient à la conclusion qu'une planète plus éloignée qu'Uranus perturbait cette dernière. Adams ne fut cependant pas pris au sérieux par Airy, alors directeur de l'observatoire de Greenwich alors que Le Verrier demandait à Johann Galle de l'observatoire de Berlin d'utiliser son nouveau réfracteur puissant pour observer à la position qu'il avait calculé : le 23 septembre 1846, Galle découvrit effectivement une planète nouvelle là où Le Verrier l'avait prévu grâce aussi aux cartes célestes qu'il était le seul à avoir et qui lui indiquèrent qu'il y avait bien un astre nouveau à l'emplacement prévu. La découverte de la planète Neptune consacra la puissance de la mécanique céleste newtonienne.

Urbain Jean-Joseph Le Verrier (1811-1877) fut nommé directeur de l'observatoire de Paris en 1854. Il fut l'auteur de théories complètes du mouvement des planètes de grande qualité, théories utilisées jusque dans les années 1950. Le Verrier est aussi le fondateur des services météorologiques et il organisa des observations méridiennes à l'observatoire de Paris. Son caractère difficile le fit remplacer en 1870 par Charles-Eugène Delaunay à la tête de l'observatoire de Paris où il reviendra d'ailleurs à la mort de celui-ci deux ans plus tard.

Charles-Eugène Delaunay (1816-1872) élabora une théorie du mouvement de la Lune, qui, comme les théories de Le Verrier, servirent pendant la première moitié du 20èmesiècle.

Félix Tisserand (1845-1896), astronome, directeur de l'observatoire de Paris de 1892 à 1896, publia un Traité de mécanique céleste qui parachevait et mettait à jour l'oeuvre de Laplace.

A. Gaillot, astronome, sous-directeur de l'observatoire de 1897 à 1903, améliora les théories de Le Verrier pour leur publication dans la Connaissance des Temps.

Aux Etats-Unis, Simon Newcomb (1835-1909) construisit des théories très élaborées des mouvements des planètes, théories qui furent utilisées jusque dans les années 1980 dans l'American Ephemeris.

L'avènement de techniques d'observation nouvelles

A partir de 1812, des travaux effectués sur la lithographie amenèrent la découverte des techniques photographiques. Nicéphore Niepce (1765-1833) et Jacques Daguerre (1787-1851) mirent au point la réalisation d'images sur plaques de cuivre qui furent plus tard remplacées par des plaques de verre. L'application de la photographie à l'astronomie fut réalisée vers 1850. Ce fut le Soleil et la Lune qui furent les premiers astres photographiés mais l'amélioration de la sensibilité montra tout le partie que l'on pouvait tirer de la photographie. Les mesures que l'on faisait auparavant sur le ciel à l'aide de micromètres pouvaient être faites après les observations sur les plaques photographiques; les observations étaient conservées pour une utilisation ultérieure.

En 1887 un grand projet international vit le jour, le projet de "la Carte du ciel" qui consistait à réaliser une couverture photographique globale du ciel à l'aide d'instruments spécifiques. Pour cela on construisit des astrographes doubles dont l'objectif photographique était de 33 cm d'ouverture et la longueur focale de

3 mètres 33 cm (l'échelle des clichés étaient ainsi de une minute de degré par millimètre). De nombreux observatoires furent équipés et commencèrent à photographier tout le ciel. A Paris, le projet fut réalisé sous l'impulsion de l'amiral Ernest Mouchez, directeur de l'observatoire de Paris de 1878 à 1892. Cette opération ne fut pas menée à son terme mais le grand nombre de clichés réalisés est encore utile aujourd'hui.

Les astronomes comprenaient bien que seule la lumière leur parvenait des astres éloignés et qu'il fallait en déchiffrer le message pour connaître la composition chimique des corps. Cela est considéré comme impossible jusqu'à ce que Joseph von Fraunhoffer (1787-1826), physicien allemand, remarque que le spectre du Soleil n'est pas continu mais interrompu de raies noires. Il analysa la lumière des étoiles et vit que le spectre en était différent mais aussi composé d'un spectre continu interrompu par des raies noires. Quant au spectre des planètes, il était semblable à celui du Soleil. Les expériences menées en laboratoires sur des corps chimiques montraient des spectres composés uniquement de raies brillantes. Fraunhoffer comprit qu'il devait y avoir un lien entre ces spectres et la composition chimique des corps mais n'en comprit pas le mécanisme. Il fallut attendre 1868 pour que, lors d'une observation de la couronne solaire pendant une éclipse, on constate l'existence d'une raie inconnue qui devait correspondre à un élément inconnu que l'on baptisa alors "hélium". La spectroscopie était née.

Pierre Jules César Janssen (1824-1907) effectua de nombreuses observations spectroscopiques et, en effectuant des observations en haute altitude, mit en évidence des raies dites "telluriques" provenant de l'atmosphère terrestre et non des astres observés. Il découvrit la présence de vapeur d'eau dans l'atmosphère de Mars.

La construction de nouveaux observatoires

A partir de 1850 les moyens techniques permirent la construction d'instruments plus puissants. On commença à songer à éloigner les nouveaux observatoires des villes ou

à les mettre en altitude.

En France, Janssen obtint du gouvernement français l'autorisation d'installer un observatoire sur les restes du château de Meudon détruit lors de la guerre de 1870. En 1880 un laboratoire de spectroscopie fut installé et en 1891 un réfracteur double de 83 cm d'ouverture et de 16 mètres de distance focale y fut installé : c'était -et c'est encore- la troisième lunette au monde de par son diamètre et la première d'Europe. En 1878, le général de Nansout y prend l'initiative de construire un observatoire au sommet du Pic du Midi de Bigorre à 2870 mètres d'altitude où le ciel est particulièrement pur et stable. En 1881, le banquier Raphaël Bischoffsheim installe sur le Mont-Grosau-dessus de la ville de Nice un observatoire équipé d'une lunette de 76 cm d'ouverture et de 18 mètres de focale dans une coupole conçue par Eiffel sur un bâtiment réalisé par l'architecte de l'Opéra de Paris, Charles Garnier. Les observatoires de Marseille et de Toulouse furent modernisés à la même époque et équipés de télescopes de Foucault de 80 cm d'ouverture.

En Europe, de nombreux observatoires furent créés ou modernisés. L'observatoire de Strasbourg, alors allemand, fut équipé d'instruments modernes, lunette de 50 cm et télescope de 60 cm. Dès 1835, Friedrich Struve dirigea les travaux de construction d'un observatoire à Pulkovo (achevé en 1849) près de Saint-Pétersbourg en Russie équipé d'un réfracteur de 66 cm d'ouverture. Dans la plupart des capitales européennes les observatoires seront équipés d'instruments modernes, de réfracteurs de grande taille et d'instruments dédiés à la "carte du ciel".

Aux Etats-Unis, c'est la course au gigantisme. Sur le mont Hamilton en Californie à 1280 mètres d'altitude, l'observatoire de Lick est construit en 1888 et équipé d'un réfracteur de 91 cm d'ouverture et de 18 mètres de focale (c'est le deuxième au monde par sa taille). En 1892, au nord de Chicago, Charles Yerkes, un mécène, et George Hale, un astronome de l'université de Chicago entreprennent la construction d'un observatoire équipé d'un réfracteur d'un mètre de diamètre et de 19 mètres de focale : c'est le plus grand réfracteur au monde. Enfin, de nombreux réfracteurs de 60 cm d'ouverture sont construits, en particulier à Washington D.C. et à Charlottesville (Virginie).

Tous ces réfracteurs géants seront les derniers : l'avenir sera aux télescopes (réflecteurs) qui sont plus faciles à construire et ne présentent pas les aberrations dues à la réfraction dans le verre. Ils seront, à l'origine, moins stables que les réfracteurs et ne seront donc pas utilisés, dans un premier temps, pour l'astrométrie.

Les découvertes du 19 ème siècle

Le 19 ème siècle consacra le triomphe de la mécanique céleste par la découverte de Neptune comme nous l'avons vu précédemment, mais la construction de nouveaux observatoires permit des avancées spectaculaires.

La planète Mars

La planète Mars est la planète qui passe le plus près de la Terre et les nouveaux instruments furent utilisés pour en observer la surface. En 1877, Asaph Hall (1829-1907) découvre, à l'observatoire naval de Washington D.C. deux petits satellites orbitant très près de la planète, Phobos et Deimos. En 1878, Giovanni Schiaparelli (1835-1910), astronome italien, observe des alignements suspects à la surface de la planète : il en déduit qu'il s'agit de canaux artificiels irriguant la surface. D'autres astronomes, comme l'américain Percival Lowell (1855-1916), confirment cette observation. Il faudra attendre 1925 pour qu'Eugène Antoniadi (1870-1944), astronome français d'origine grecque, utilisant la grande lunette de Meudon, affirme que les soi-disant canaux, ne sont que des alignements fortuits des reliefs de la surface de Mars.

Les satellites des grosses planètes

Les nouveaux instruments permirent de détecter de nouveaux satellites auprès des planètes géantes : l'astronome anglais William Lassell (1799-1880) découvrit Triton, le satellite de Neptune, la même année (1846) que la découverte de la planète elle-même. Il découvrit aussi, en 1848, le satellite de Saturne Hypérion et, en 1851, deux nouveaux satellites d'Uranus, Ariel et Umbriel. William Pickering (1846-1919) découvrit un nouveau satellite de Saturne, Phoébéen 1898. L'astronome américain Edward Barnard (1857-1923), découvrit le satellite Amalthée, cinquième satellite de Jupiter,

très près de la planète, en 1892.

La composition des anneaux de Saturne

Dès 1705 Cassini, après avoir découvert la division de l'anneau de Saturne, fait l'hypothèse que cet  est en fait composé d'une multitude de petits satellites. En 1785, Laplace montre qu'un anneau rigide ne pourrait être stable du fait des forces gravitationnelles. En 1857, Maxwell montre par le calcul que les anneaux ne peuvent être que composés de petits blocs rocheux satellisés sur des orbites indépendantes autour de Saturne. En 1895, des observations spectroscopiques sont effectuées par Henri Deslandres (1853-1948) : elles montrent que les anneaux ne tournent pas d'un bloc, la partie intérieure tournant plus vite que la partie extérieure.

 

L'orbite de la Terre

Au 19ème siècle, deux passages de Vénus devant le Soleil se produisirent en 1874 et en 1882. Comme lors des siècles précédents, on effectua des déterminations de la parallaxe solaire permettant de calculer la distance Soleil-Terre, mais avec plus de précision. Par ailleurs, Léon Foucault (1819-1868), en 1851, installa un pendule de 28 kg et de 67 mètres de longueur sous la voûte du Panthéon. Foucault montra que le plan d'oscillation tournait par rapport à la Terre et matérialisait le mouvement de rotation de la Terre autour de son axe ainsi que son mouvement de révolution autour du Soleil. C'est l'une des preuves, avec la mesure des parallaxes stellaires, de la révolution de la Terre autour du Soleil.

 

La vulgarisation scientifique

C'est au 19eme siècle que naquit vraiment la vulgarisation scientifique. Deux hommes peuvent être considérés comme les initiateurs de ce phénomène : François ARAGO (1786-1853), astronome, directeur de l'observatoire de Paris et homme politique qui publia une "Astronomie populaire" et Camille Flammarion (1842-1925), astronome amateur, bâtisseur de l'observatoire de JUVISY et fondateur de la Société Astronomique de France.

POUR EN SAVOIR PLUS 2 (SUITE)

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