Histoire de l'Astronomie

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

introductionIntroduction

Le cours d'histoire de l'astronomie a pour ambition de retracer les grandes lignes d'une pratique savante ancienne, qui n'a cessé de se développer et de se transformer. Nous avons choisi une amplitude temporelle large, de l'antiquité à l'aube du 20ème siècle. Il ne s'agit pas d'être exhaustif, mais plutôt de montrer les continuités et les ruptures de l'astronomie. Nous envisagerons donc les mutations des conceptions cosmologiques, l'évolution des travaux d'observation et les changements structurels qui permettent à la science des astres de s'institutionnaliser peu à peu en discipline scientifique. Le cours est centré sur les sources historiques originales afin de restituer la place des acteurs impliqués, leurs choix et leurs discours.

Cette histoire de l'astronomie s'adresse d'abord aux enseignants soucieux de faire découvrir à leurs élèves les origines et les développements d'une science, mais aussi à tous ceux qui souhaitent comprendre les dynamiques savantes dans la longue durée.


Histoire de l'astronomie et programmes scolaires

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

introductionIntroduction

Afin de permettre aux enseignants d'articuler les connaissances développées dans ce cours et les impératifs des programmes, nous proposons de passer en revue les éléments d'histoire de l'astronomie disséminés dans l'ensemble du cursus secondaire.

Auparavant, nous examinerons très brièvement la situation intellectuelle et institutionnelle de l'histoire de l'astronomie.


Histoire des sciences et de l'astronomie


Une discipline peu visible ?

L'histoire des sciences est une discipline traversée de paradoxes. Sa visibilité institutionnelle est extrêmement faible : elle est certes présente dans l'enseignement supérieur (72ème section du Conseil National des Universités) et dans la recherche (section 35 du CNRS), mais elle ne donne lieu à aucun concours du secondaire. Ce sont donc des fragments épars d'histoire des sciences que l'on retrouve dans les programmes, ventilés entre de multiples disciplines qu'elles soient scientifiques ou littéraires.

Malgré cette fragilité institutionnelle, l'histoire des sciences est une discipline vivante, parcourue de nombreux débats et de vigoureuses controverses. Ainsi l'opposition entre internalistes (les historiens privilégiant une vision strictement scientifique des découvertes et des recherches savantes) et externalistes (les historiens faisant intervenir le contexte social, philosophique ou politique pour expliquer une théorie ou une expérience) ne cessent de redessiner les contours de la discipline. Notre objectif n'est pas ici d'exposer ces controverses, ni même de décrire l'ensemble des enjeux qui sont attachés à la discipline histoire des sciences.


Bref aperçu bibliographique

Nous proposons de concentrer notre attention sur l'histoire de l'astronomie en retraçant très rapidement les étapes décisives de ce chapitre d'histoire des sciences à travers les ouvrages les plus importants publiés depuis la fin du 18ème siècle. Il ne s'agit pas d'une présentation exhaustive des développements historiographiques en astronomie, mais plus modestement d'une présentation synthétique des textes majeurs dans ce domaine.

Dans le domaine de la science antique, les travaux de Geoffrey Lloyd sont particulièrement importants. L'astronomie n'est pas le thème central de ces ouvrages, mais elle est abondamment expliquée et commentée. Les travaux de Michel-Pierre Lerner sur Le monde des sphères constitue une somme majeure sur les conceptions cosmologiques antiques et médiévales. L'oeuvre de Pierre Duhem est monumentale et son Système du monde en 12 volumes détaille l'histoire de la cosmologie européenne jusqu'à Copernic. Une version abrégée et synthétique de cette cathédrale intellectuelle a été éditée récemment.

Dans le domaine de l'astronomie arabe, le premier volume de l'Histoire des sciences arabes, dirigée par Roshdi Rashed est une référence idéale et accessible.

Les commentaires sur les thèses coperniciennes sont nombreux. On pourra se reporter à l'ouvrage de Thomas Kuhn (La révolution copernicienne), qui saisit les changements engagés dans un contexte intellectuel large. L'ouvrage d'Alexandre Koyré, Du monde clos à l'univers infini, offre une vision synthétique et précise de la transformation des conceptions cosmologiques occidentales. Les travaux du même Alexandre Koyré sur les études galiléennes éclairent les travaux du savant italien. Sur le même sujet, l'ouvrage de Maurice Clavelin est aussi érudit que complet. Pour une approche récente et stimulante, on se reportera au livre de Fabien Chareix.

Enfin, sur les thèses newtoniennes, les travaux d'Alexandre Koyré font, une nouvelle fois, référence.

Parmi les synthèses globales sur l'histoire de l'astronomie, nous retiendron "Une histoire de l'astronomie de Jean-Pierre Verdet qui allie qualités de synthèses et précision. Le recueil de textes dont il a dirigé l'édition Astronomie et astrophysique constitue une source de textes particulièrement importante.


Bibliographie

La rédaction d'un cours d'histoire de l'astronomie suppose la consultation d'une grande quantité d'ouvrages et d'articles. J'exprime ici ma dette immense à l'égard de Jean-Pierre Verdet, Michel Lerner, Frédéric Chaberlot, André Pichot, Arkan Simaan, Michel Rival, Ileana Chinnici, Giorgia Foderà, Michel-Alain Combes, Ahmed Djebbar, dont les écrits (indiqués ici dans la bibliographie) constituent la base même de ce cours. Les traductions ou les textes originaux qu'ils ont reproduit dans leurs ouvrages sont parfois repris ici, dans les pages qui suivent.


Aperçu des programmes


Introduction

introductionIntroduction

Nous exposons ici les références officielles à l'histoire de l'astronomie dans différentes disciplines du secondaire : histoire, géographie, physique, sciences et vie de la terre. L'objectif est de proposer un aperçu global favorisant les actions interdisciplinaires entre les enseignants.


Histoire collège

En 6ème

Le Journal Officiel du 30 novembre 1995 (Arrêté du 22 novembre 1995) fixe le programme d'histoire en classe de 6e. Le premier thème abordé concerne « l'Égypte : le pharaon, les dieux et les hommes ». Bien qu'il ne soit pas fait expressément référence à l'astronomie, on peut inclure une explication du calendrier agricole égyptien et de ses modestes indications astronomiques (lever héliaque). Le troisième thème est plus propice à un aperçu des connaissances antiques de l'astronomie. Il décrit « Athènes au 5ème siècle av. J.C. ». Les développements concernant la philosophie de Platon et d'Aristote comprennent une exposition des conceptions platoniciennes et aristotéliciennes (un monde sublunaire et un monde supralunaire qui s'opposent termes à termes). Il convient d'insister sur l'importance de cette conception d'un univers géocentrique constitué de sphères concentriques qui perdurera jusqu'à Copernic.

En 5ème

Le programme de 5ème (BO n° 5, 30 janvier 1997) indique que le thème I décrira les évolutions historiques « de l'Empire romain au Moyen-Âge ». À l'intérieur de ce thème, le monde musulman au 8ème siècle, fait l'objet d'une description d'ensemble, dans ses structures sociales, économiques, politiques et religieuses, mais également dans ses développements scientifiques. Il est donc possible, à l'occasion de cette leçon, d'évoquer l'astronomie arabe et ses recherches les plus marquantes. On peut, par exemple, insister sur l'importance des observatoires arabes et expliquer l'importance du calendrier lunaire dans le monde musulman.

Le thème III s'intitule « La naissance des temps modernes ». Il comprend deux chapitres importants pour l'histoire de l'astronomie. Le premier rappelle la période de l'humanisme, de la Renaissance et de la Réforme. Il peut être intéressant dans cette section de consacrer une leçon à l'astronomie copernicienne, à son caractère révolutionnaire et à ses implications théologiques majeures. Il est possible de montrer l'hostilité des réformateurs protestants (comme Luther) à cette conception du monde et les craintes de Copernic vis-à-vis de la doctrine catholique. Un autre chapitre concerne « l'Europe à la découverte du monde ». L'occasion est donnée de montrer les outils astronomiques utilisés pour la navigation (astrolabe, quartier...). En insistant sur l'importance de la détermination des routes maritimes par les données astronomiques (latitude et longitude), on montre les enjeux majeurs qui entourent l'instrumentation scientifique dans les grandes découvertes.

En 4ème

Le programme d'histoire de 4ème (fixé par le JO du 13 février 1997) comporte trois thèmes majeurs qui peuvent se rattacher à l'histoire de l'astronomie. Le thème I s'intitule « Des temps modernes à la naissance du Monde contemporain » et couvre les 17ème et 18ème siècles. Il s'agit d'une présentation générale de l'Europe moderne et notamment du renouveau culturel du 17ème siècle. Il est ici possible d'évoquer Galilée, sa vie, ses travaux et son procès. Les textes du Messager céleste ou du Dialogue sur les deux grands systèmes du monde peuvent servir de base à une leçon sur l'astronomie de Galilée. Il est également possible de replacer les découvertes astronomiques de Galilée dans le contexte technologique du 17ème siècle, ce qui permet notamment de rattacher l'invention de la lunette aux développements dans l'instrumentation astronomique vus l'année précédente. Dans ce même thème I, le programme prévoit l'étude de la remise en cause de l'absolutisme par l'étude de l'Encyclopédie. La thématique astronomique est très présente dans ce célèbre ouvrage et ce peut être l'occasion d'analyser quelques articles relatifs à l'astronomie ou aux instruments astronomiques en les replaçant dans un contexte scientifique plus large : triomphe de l'esprit rationnel, adoption de règles méthodologiques communes, naissance d'une communauté savante structurée (la « République des Lettres »).

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Pierre Méchain (1744-1804)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le thème II évoque la période révolutionnaire. Une incise sur la détermination du mètre par Delambre et Méchain offre un aperçu des relations (parfois difficile) entre le nouvel espace politique émergeant et la pratique astronomique. On soulignera la volonté d'unifier les mesures, de créer une unité de référence, fondée sur la connaissance scientifique.

Le thème III (dont le titre est « L'Europe et son expansion au 19ème (1815-1914) ») concerne, pour une part, l'âge industriel et la valorisation de l'activité scientifique. L'étude d'un court texte d'Auguste Comte sur l'astronomie (son Traité d'astronomie populaire constitue de ce point de vue une source intéressante) offrira une description intéressante de la foi en la science que véhicule le 19ème siècle.


Histoire lycée

En seconde

Le programme d'histoire des classes de seconde (BO, hors série n° 6, 31 août 2002) renferme deux thèmes dans lesquels l'histoire de l'astronomie a sa place. Le thème 3 (« La Méditerranée au 12ème siècle : carrefour de trois civilisations ») permet de décrire « le monde musulman au 12ème siècle » (et notamment la dynamisme intellectuelle de la civilisation musulmane). L'astronomie arabe offre une vision caractéristique de la civilisation musulmane : la traduction des textes antiques et le développement des observatoires signalent une mutation de la pratique scientifique. L'héritage savant de l'antiquité est transmis et vivifié. L'astronomie antique persiste notamment grâce à ces traductions. Le développement des espaces savants destinés à l'astronomie témoigne d'une activité scientifique de plus en plus collective (les observatoires arabes sont des espaces pluriels où travaillent plusieurs savants).

On évoquera également les relations entre les différentes civilisations. L'expansion commerciale italienne en Méditerranée montre l'importance des échanges intellectuels qui ont permis la diffusion de l'astrolabe dans les techniques de navigation.

Il convient toutefois de relativiser ces influences en insistant sur le fait que les contacts culturels sont limités. Le thème 4 (« Humanisme et Renaissance ») contient un axe intitulé « une nouvelle culture pour un nouveau monde ». Les thèses coperniciennes, leur diffusion et les réticences permettent de montrer la rupture avec les conceptions antiques. Il est possible de présenter aux élèves un court extrait d'un texte de Copernic qui sert de base à une réflexion plus générale sur l'astronomie et la science à la fin du 15ème et au début du 16ème siècle. Les enjeux théologiques sont également importants à détailler.

En première (section L et ES)

Les allusions à l'histoire des sciences sont plus discrètes, toutefois, le thème 1 (« L'âge industriel et sa civilisation du milieu du 19ème siècle à 1939 ») traite notamment de l'« art, la religion et la culture à l'âge industriel ». L'objectif est de montrer la croyance en la science et la foi dans le progrès. De nombreux textes (notamment celui de Renan en 1848, intitulé « La science est une religion ») témoignent clairement de cette orientation philosophique. Les ouvrages d'Auguste Comte (et notamment ses écrits sur l'astronomie et son histoire) sont l'occasion de préciser, pour une discipline précise, les mutations à l'oeuvre dans la perception de l'activité scientifique. Le triomphe de la mécanique céleste (Le Verrier découvre Neptune « au bout de sa plume ») marque une étape importante dans l'évolution de la science des astres et dans la conception mathématisée de ses fondements.


Géographie

Le programme de 6ème comporte quelques éléments (très parcellaires) concernant l'astronomie et que l'on peut sans peine rattacher à l'histoire de cette discipline. Le premier concerne les « grands repères géographiques du monde ». L'objectif est de montrer aux élèves comment les astronomes ont imaginé des lignes imaginaires pour se repérer (équateur, tropique). Quelques exemples historiques (notamment relatifs à la navigation dès l'Antiquité) peuvent ici servir de points d'appui.

L'explication du climat (et de l'importance de l'inclinaison de la Terre) sont également l'occasion de rappeler les premiers travaux grecs sur ce sujet.

Très brèves, ces incises d'histoire de l'astronomie ancienne trouvent toutefois leur cohérence dans le fait que le programme d'histoire (enseigné parallèlement) évoque la période antique.


Sciences de la Vie et de la Terre

En seconde (Bulletin Officiel, Hors série n° 6, du 12 août 1999), les élèves abordent, en Sciences et Vie de la Terre, la place de la terre dans le système solaire. Ils apprennent la composition du système solaire, la position de la terre par rapport au soleil et l'importance de l'inclinaison de la terre pour les climats.

Un des moyens d'aborder cette thématique est de faire une présentation historique des systèmes géocentrique et héliocentrique, puis d'évoquer les lois de Kepler et les travaux de Newton. L'objectif est de proposer un déroulement chronologique des conceptions successives du système solaire qui donne aux élèves une perspective historique de nos connaissances actuelles.


Physique collège

En 4ème

Le programme de 1998 prévoit l'étude de la lumière. Les questions relatives d'ombre et de lumière peuvent être abordées avec les gnomons et les cadrans solaires. La présentation du système solaire et de la Lune offre la possibilité de faire un exposé historique concernant, par exemple les éclipses (dans l'antiquité notamment).

En 3ème

Le Bulletin Officiel n° 10 du 15 octobre 1998 fixe le programme de physique de 3ème. Il poursuit le travail sur la lumière par l'examen des lentilles. L'invention de la lunette à la fin du 16ème et au début du 17ème siècle est une présentation possible de ce thème optique. Outre les travaux théoriques de Giambatista della Porta et ceux (pratiques) de Janssen, on évoquera les premières observations de Galilée (satellites joviens, taches du Soleil). Les premiers comptes-rendus du savant italien sont examinés avec scepticisme et doute. La lunette n'est pas immédiatement adoptée dans l'arsenal instrumental scientifique.


Physique lycée

En seconde

Le programme de seconde (Bulletin Officiel, Hors série n°6, août 1999) est sans aucun doute le plus riche pour l'histoire de l'astronomie. Nous ne présenterons ici que des aperçus sans chercher à être exhaustif.

Il ne s'agit là que de quelques exemples qui permettent de mettre en lumière la richesse de l'astronomie antique.

En première S

Le programme de première S de physique (Bulletin Officiel, Hors série n° 7, 31 août 2000), renferme de nombreuses thématiques qui peuvent être abordées du point de vue historique. Ainsi « Forces, travail et énergie » permet de faire une présentation des lois Newton en évoquant les conditions de leur présentation (en rappelant la publication des Principia sur l'insistance de Halley par exemple). La partie consacrée à l'optique impose de donner l'exemple précis d'un instrument d'optique. Il est possible de décrire une innovation technique de Newton à destination de l'astronomie : le télescope à réflexion. En détaillant les premiers travaux de James Gregory puis en montrant les innovations de Newton, on proposera une évocation des progrès techniques dans le domaine de l'optique appliquée à la science des astres.

En Terminale S

Le programme de physique de Terminale S est défini dans le Bulletin Officiel n° 33 du 10 septembre 1998 et dans le Bulletin Officiel, Hors série n° 12, du 29 octobre 1998. Une partie importante du programme évoque la mécanique de Newton. Ce peut être l'occasion de donner un aperçu des conceptions historiques de la mécanique (d'Aristote à l'impetus médiéval...).

Le thème des satellites et des planètes permet de décrire les grands systèmes du monde. Le passage du système géocentrique au système héliocentrique et la détermination des lois de Kepler sont des repères historiques importants que l'on peut aborder par des textes d'Aristote, Copernic, Kepler...

Un exposé historique sur la comète de Halley permet de dépeindre les conceptions cométaires aux différentes époques.


De l'Antiquité au Moyen-Âge

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

introductionIntroduction

Parmi les modes d'appréhension de l'environnement physique et naturel déployés par les civilisations antiques, l'astronomie constitue une catégorie de savoirs particulière. Sous-tendue par des impératifs agricoles et religieux elle connaît un développement important en Mésopotamie et en Egypte. Mais c'est en Grèce qu'elle se constitue en un corpus cohérent de connaissances. L'émergence de la rationalité comme principe directeur joue ici un rôle fondamental dans la compréhension des phénomènes astronomiques. La civilisation arabe poursuit et transmet l'héritage grec que l'Occident médiéval redécouvre peu à peu.


L'astronomie mésopotamienne


Situation

Situation géographique

La Mésopotamie correspond à l'Irak actuel et à une partie de la Syrie actuelle. Il s'agit d'une plaine, sillonnée par le Tigre et l'Euphrate. La partie sud est alluvionnaire. A l'Est de la plaine, on trouve un massif montagneux du Zagros (bordant le plateau de l'Iran). À l'ouest, c'est le désert de Syrie. Enfin, au nord se situent les montagnes d'Arménie (sources de l'Euphrate et du Tigre). Les deux fleuves inondent de leurs crues la Basse-Mésopotamie, qui correspond historiquement à la Babylonie.

Brève présentation historique

La période historique commence vers 3500 av. J.C., à Sumer et à Elam. Cette région est le berceau d'une innovation capitale dans l'histoire des civilisations : l'invention de l'écriture. À la fin du IIIème millénaire av. J.C., le premier Empire sumérien domine. Les Sumériens connaissent un apogée pendant deux siècles. S'ils déclinent par la suite, leur influence culturelle est considérable.

Au début du IIème millénaire, un nouvel Empire (dirigé par le roi Hammourabi) émerge, centré sur Babylone. Parallèlement, on assiste à la montée en puissance de l'Empire assyrien. Les deux royaumes subissent les invasions répétées des peuples voisins. Lors du premier millénaire, un Empire néo-babylonien s'installe en Assyrie, en Iran et en Asie Mineure. L'empire babylonien s'effondre sous les coups des invasions perses au VIe siècle av. J.C.

L'histoire de la Mésopotamie a donc donné lieu à de nombreux brassages de peuples et de cultures. Il est relativement difficile de préciser les généalogies culturelles et savantes de chacune des traditions ayant fondé la civilisation mésopotamienne. Quoique très brillante, la civilisation sumérienne ne nous a laissé que très peu de traces dans le domaine de l'astronomie (si ce n'est que quelques noms d'étoiles et de constellations).


Les sources

Les historiens disposent de nombreuses tablettes qui révèlent les données astronomiques relevées par les Babyloniens. Le premier document connu, datant du IIème millénaire, décrit un univers à huit cieux enchâssés les uns dans les autres. Des textes ultérieurs évoquent la Lune, le Soleil, les planètes, les fixes, mais aussi les saisons ou les longueurs des ombres. On dispose également, à partir du Ier millénaire, d'éphémérides indiquant notamment les conjonctions des planètes avec les étoiles fixes. Les observations astronomiques sont suivies et servent à l'étude des mouvements célestes. On note, dans l'ensemble de ce corpus, une volonté progressive de mathématiser l'astronomie.

Les instruments astronomiques


La cosmologie babylonienne

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La représentation sumérienne du monde (schéma simplifié)
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jérôme Lamy et Gilles Bessou

Il est difficile de parler d'une cosmologie au sens scientifique du terme. Il s'agit d'une explication mythique du monde. D'autre part, la Mésopotamie est un espace de brassage culturel intense, ce qui ne permet pas de dégager un modèle cosmologique unique. En suivant les travaux de l'historien Samuel Noah Kramer on peut donner un exemple de conception cosmologique : l'eau joue un rôle important, le monde est conçu comme une bulle immergée dans une mer primordiale. Nous verrons plus loin que cette conception a influencé la cosmologie égyptienne et présocratique.

Une astronomie d'observation

Les astronomes mésopotamiens ne s'éloignaient pas de ce qui était directement observable.


Le calendrier

Une des préoccupations les plus importantes des Babyloniens concerne le calendrier. Le calendrier est lunaire, c'est à dire que l'année se compose de 12 mois lunaires, un mois lunaire se compose de 29,5 jours (dans les faits c'est une alternance de 29 jours et de 30 jours).

Voici les noms du calendrier babylonien classique ; l'orthographe peut être différente d'une présentation à une autre, nous retenons ici l'orthographe la plus courante :

Nissan Mars-avril
Aiar Avril-mai
Siwan Mai-juin
Du'uzu Juin-juillet
Ab Juillet-août
Elul Août-septembre
Teshrit Septembre-octobre
Arashama Octobre-novembre
Kislew Novembre-décembre
Tebet Décembre-janvier
Shebat Janvier-février
Addar Février-mars

Un tel calendrier pose un problème majeur : 12 mois lunaires font 354 jours. Ce qui fait un retard de 11 jours 1/4 sur l'année solaire (365 jours et 6 heures). Il faut compenser le retard. On ajoute (de temps en temps) un mois supplémentaire à l'année (en général tous les 3 ans). Ce mois supplémentaire est soit Elul II, soit Nissan II, soit Addar-complémentaire. Initialement, l'ajout d'un mois n'était pas fondé sur une règle bien déterminée. Progressivement, la décision d'intercaler un mois a été prise en fonction de données astronomiques. Au 6ème siècle av. J.C., l'intercalation est fondée sur un cycle très précis, 235 mois lunaires correspondant à 19 années solaires (19 années lunaires et 7 mois). Il s'agit d'un cycle qui sera connu plus tard sous le nom de cycle de Méton. Les années « allongées » d'un mois complémentaire sont les suivantes :

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Le calendrier s'impose en raison de la vie économique et administrative, mais aussi les travaux agricoles (il est nécessaire que le rythme des saisons et celui de la culture ou de l'élevage s'accordent). C'est là un point fondamental de la civilisation mésopotamienne, la science astronomique pratiquée a surtout des objectifs pratiques et utilitaires.


Exercice

exerciceAstronomie mésopotamienne

Difficulté :    Temps : 10

Question 1)

Rappeler quels sont les trois principaux instruments de l'astronomie mésopotamienne.

Question 2)

Le calendrier babylonien est-il solaire ?


L'astronomie égyptienne


Situation

Cadre géographique

La civilisation égyptienne s'est déployée le long des 100 derniers kilomètres du Nil.

La Haute et la Moyenne Égypte (de la première cataracte jusqu'au delta) est une vallée très étroite bordée par le désert. À 150 km de la côte méditerranéenne, le Nil se divise en plusieurs branches et forme un delta. C'est la Basse-Égypte.

À la différence de la Mésopotamie (qui est un espace ouvert aux brassages culturels, fragmenté en de nombreuses zones d'influences politiques), l'Égypte est un espace refermé sur lui-même.

Panorama historique

Narmer (au IIIème millénaire) paraît être le fondateur de l'Égypte pharaonique. La résidence royale se situe à Thinis. (d'où le nom d'époque Thinite). L'Ancien Empire lui succède sans heurt particulier. C'est l'époque où l'on construit les pyramides de Saqqara et de Giza.

Après des luttes intestines, l'aube du IIème millénaire marque l'avènement d'une Égypte très puissante : c'est le Moyen Empire. Il s'agit de la période la plus féconde : des documents scientifiques importants sont produits à cette époque (en particulier le Papyrus Rhind, qui est un texte mathématique majeur, mais aussi des documents traitant de la médecine). À la fin du Ier millénaire, les grandes dynasties royales du Nouvel Empire émergent (Séti Ier , Ramsès II, Ramsès III). À partir du Ier millénaire, et jusqu'à la conquête d'Alexandre le Grand en 333 av. J.C., s'ouvre une période de troubles et d'instabilité. Finalement, après avoir été gouvernée par les rois macédoniens pendant trois siècles, l'Égypte passe sous la domination de l'Empire romain en 30 av. J.C.


Les sources

En ce qui concerne l'astronomie Égyptienne, on ne dispose pas des mêmes sources que pour les autres sciences. Il n'y a pas d'équivalent des papyrus mathématiques et médicaux. On peut toutefois se référer aux monuments funéraires ou aux calendriers qui décorent les sarcophages. Ce n'est qu'à la fin de l'histoire de l'Égypte que des textes écrits sur papyrus nous renseignent sur les connaissances astronomiques des Egyptiens (notamment le papyrus Carlsberg 9 qui décrit une méthode de détermination des phases de la Lune).

Cosmologie égyptienne

La cosmologie égyptienne, comme la cosmologie mésopotamienne, est mythique. Pour les Égyptiens, le ciel est une sorte de plafond solide, sur lequel roulent les eaux mystérieuses qui enserrent la terre de toutes parts. Lorsque le dieu Shou soulève le plafond, le Nil coule au sommet des montagnes et c'est sur ce fleuve céleste que flottent les planètes et généralement tous les astres qui ont un lever et un coucher visibles dans la vallée. Les étoiles fixes sont représentées par des lampes suspendues au plafond de fer. Bien sûr, on est ici très loin d'une cosmologie scientifique. Les structures du monde sont purement mythiques. Il n'y a pas de souci d'une explication rationnelle, ni même de recherche d'éventuelles analogies avec l'expérience physique courante.

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Représentation d'une éclipse à l'époque de l'égypte antique, dans un ouvrage du 18ème siècle (Scientia Eclipsium, 1747)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Astronomie égyptienne

D'après les données fragmentaires récoltées, les historiens ont noté que les Egyptiens distinguaient les planètes et les étoiles fixes. Voici les noms donnés aux cinq planètes visibles : Jupiter (Hartapshitiou, Horus guide des espaces mystérieux), Saturne (Harkahri, Horus générateur d'en-haut), Mars (Hamarkhis, Horus rouge), Mercure (Sovkou), Vénus (Douaou, dans son rôle d'étoile du matin ; Bonou, dans celui d'étoile du soir ; il n'est pas sûr que les Égyptiens aient compris qu'il s'agissait d'une seule et même planète). Parmi les étoiles fixes, les Égyptiens distinguaient les étoiles circumpolaires (« étoiles impérissables »), des étoiles à la visibilité périodique. On sait également qu'ils regroupaient les étoiles en constellations.

La manière dont sont orientées les pyramides nous permet de supposer que les égyptiens utilisaient des connaissances astronomiques. L'exactitude de l'orientation des pyramides est telle que les Egyptiens disposaient d'un moyen efficace de déterminer le nord vrai. Il ne peut reposer que sur des observations astronomiques (la méthode des ombres portées n'est pas assez précise et la boussole n'était pas connue). Il est possible, comme l'avait suggéré l'historien Jean Vercoutter, que les Egyptiens aient trouvé une solution empirique simple. Les appareils utilisant la longueur de l'ombre pour déterminer l'heure leur ayant appris que l'ombre la plus courte était tournée vers le nord, ils auraient noté, au cours de leurs observations nocturnes, une étoile fixe donnant la même direction.


Le calendrier égyptien

Le calendrier constitue un autre élément important de la civilisation égyptienne qui nous permet de mieux appréhender les connaissances astronomiques mises en oeuvre. Le calendrier comporte 365 jours, soit 12 mois de 30 jours plus 5 jours ajoutés après les 12 mois, ce qui fait un quart de jour de moins que l'année solaire. Voici les noms des mois égyptiens regroupés en trois saisons :

I- Akhet (inondations) II- Péret (semailles) III- Chémou (moissons)
Thoth (juillet-août) Tybi (novembre-décembre) Pachons (mars-avril)
Paophi (aôut-septembre) Méchir (décembre-janvier) Payni (avril-mai)
Athyr (septembre-octobre) Phaménoth (janvier-février) Epiphi (mai-juin)
Choiac (octobre-novembre) Pharmouti (février-mars) Mésori (juin-juillet)

La définition du début de l'année civile pose problème. Astronomiquement, elle commence lorsque Sothis (c'est-à-dire l'étoile Sirius), après une période d'invisibilité d'environ 70 jours redevient à nouveau visible peu de temps avant le lever du Soleil. Dans l'ancienne Égypte, c'est également à cette époque que commence l'inondation des terres par le Nil. Mais l'année égyptienne est trop courte d'un quart de jour. Ceci explique le décalage progressif de l'année civile par rapport à l'apparition de Sothis (au bout de 120 ans, l'année civile commence 1 mois après cette apparition).

L'étude du calendrier ne nous apprend que très peu de choses sur les connaissances astronomiques des Egyptiens. On sait donc qu'ils ont une assez bonne approximation de l'année solaire, et qu'ils observent la réapparition périodique de Sirus.


Exercice

exerciceAstronomie égyptienne

Difficulté :    Temps : 10

Question 1)

Décrivez les éléments principaux de la cosmologie égyptienne.

Question 2)

Peut-on objectivement comparer l'astronomie mésopotamienne et l'astronomie égyptienne ?


Conclusion

conclusionConclusion

Il y a une très grande pauvreté en documents astronomiques égyptiens. Les données fournies paraissent très en deçà des connaissances astronomiques mésopotamiennes. Toutefois, la comparaison est faussée par la trop grande différence quantitative de documents qui subsistent.

Les Egyptiens semblent n'avoir vu dans l'astronomie qu'un moyen de compter le temps (une préoccupation utilitaire et pragmatique) pour l'agriculture, mais aussi pour la religion. Les prêtres devaient exécuter des rites à des dates et heures précises, et c'est sans doute à cause de ces pratiques religieuses que l'astronomie s'est développée.


L'astronomie présocratique


Les débuts de la science ?

Il est bien difficile (et peut-être inutile) de chercher une origine précise de la science dans l'espace grec. Toutefois, une première période peut être distinguée : elle s'étend du 6ème siècle au 5ème siècle av. J.C. Il est certain que les Grecs devaient avoir, avant le 6ème siècle, des notions de mathématiques, d'astronomie ou de médecine.

On note deux évolutions majeures :


L'éclosion présocratique

Une des explications réside probablement dans la réorganisation politique qui affecte les cités grecques aux 6ème et 5ème siècles. En effet les cités grecques connaissent des changements durables et profonds dans leurs structures institutionnelles. Les modèles de constitution se multiplient et l'on assiste à l'émergence d'une conscience politique. Les citoyens grecs s'engagent activement dans les débats, participent au gouvernement de la cité. Les forces politiques libérées définissent un espace libre de discussion qui n'est pas sans conséquence sur la vie savante. Les philosophes présocratiques parviennent plus facilement à remettre en cause les anciennes théories et à discuter les opinions.

Les sources

Elles sont toutes indirectes et plus ou moins tardives. On dispose de deux types de sources :

Ces sources et ces témoignages sont donc très fragiles et il convient de les manier avec précaution.


L'école de Milet

Milet se situe sur la côte ionienne, actuelle côte ouest de la Turquie.

Les apports de l'école de Milet

L'école de Milet marque une étape particulièrement importante dans l'histoire des conceptions astronomiques. Bien sûr les théories énoncées sont souvent peu cohérentes et ne s'appuient pas sur des observations suivies. Toutefois, elles ne sont plus liées à des explications mythiques ou surnaturelles, ce qui constitue une rupture profonde avec les civilisations précédentes.


Thalès

Le personnage le plus important de cette école est Thalès. On pense généralement qu'il a vécut entre 625 et 550 av. J.C. Il ne nous reste aucun écrit direct de lui. Selon les sources, Thalès serait d'origine phénicienne ou grecque. Il voyagea en Égypte, peut-être pour des raisons commerciales. Proclus (412-485) nous assure que Thalès s'est rendu en Égypte, berceau, selon lui de la science géométrique. « Thalès fut le premier Grec à rapporter d'Égypte cette matière à spéculation ; lui-même l'enrichit de nombreuses découvertes, et légua à ses successeurs les principes de nombreuses autres en allant plus loin tantôt dans la généralisation abstraite, tantôt dans l'investigation empirique ». (Commentaire sur le premier livre des Eléments d'Euclide, 65, 3). Thalès paraît également avoir eu connaissance de l'astronomie mésopotamienne.

La cosmologie de Thalès

Renversant les explications cosmologiques jusqu'alors prégnantes, Thalès semble être le premier qui ait cherché une explication du monde qui ne soit pas mythique.

Pour Thalès l'élément primordial est l'eau. Aristote souligne que « la plupart des premiers philosophes estimaient que les principes de toutes choses se réduisaient aux principes matériels. Ce à partir de quoi sont constituées toutes les choses, le terme premier de leur génération et le terme final de leur corruption (...), c'est cela qu'ils tiennent pour l'élément et le principe des choses (...). Pour Thalès, le fondateur de cette conception philosophique, ce principe est l'eau (c'est pourquoi il soutenait que la terre flotte sur l'eau) » (Aristote, Métaphysique, A, III, 983, b, 6).

L'eau est à l'origine des choses en même temps qu'elle les constitue. Pour Thalès, le monde semble être une sphère entourée d'une masse liquide. La Terre serrait un disque flottant à l'intérieur de cette sphère.


L'astronomie de Thalès

Sur les connaissances astronomiques de Thalès, il est essentiel de comprendre que, pour le philosophe milésien, les astres sont considérés comme des phénomènes météorologiques. Il n'y a pas de distinction fondamentale entre les deux car les distances restent très mal évaluées. La rupture fondamentale avec les civilisations précédentes réside dans la « naturalisation » des corps célestes, qui n'ont plus de caractère divin. Aétius nous assure que « Thalès disait que les astres sont faits de terre, mais qu'ils sont embrasés » (Aétius, Opinions, II, XIII, I).

Les doxographes prétendent que Thalès a été le premier à dire que la Lune ne produisait pas de lumière mais était éclairée par le Soleil (Aétius, Opinions, II, XXVII, 5). Il s'agit d'une fausse attribution. Cette idée est plus probablement d'Anaxagore, un siècle après Thalès. Mais si on a attribué l'idée d'une illumination de la Lune par le Soleil à Thalès, c'est parce qu'il passe aussi pour être le premier à avoir prédit une éclipse de Soleil. (Par exemple : Pline, Histoire naturelle, II, 53). Les connaissances astronomiques grecques du 6ème siècle sont insuffisantes pour énoncer une prédiction de ce phénomène céleste. Les historiens pensent qu'il s'agit d'un emprunt à l'astronomie babylonienne.

La rupture avec les civilisations précédentes

De fait, d'un point de vue pratique, l'astronomie de Thalès est très inférieure à celle des babyloniens. Ces derniers avaient compilé un grand nombre d'observations et disposaient d'un corpus de données leur permettant d'établir des éphémérides. Rien de tel chez Thalès. En revanche, son astronomie est supérieure à celle de Babylone parce qu'elle rompt avec la mythologie et l'explication surnaturelle du monde. De même, l'astronomie de Thalès ne nourrit aucune astrologie.


Anaximandre

Anaximandre (610-545 av. J.C.) vécut à Milet, comme Thalès, dont il était sûrement le disciple. On sait très peu de chose de sa vie, en dehors du fait qu'il avait un intérêt pour l'astronomie et qu'il serait l'auteur d'un ouvrage intitulé Sur la nature. On ne connaît que des fragments de son oeuvre et ses conceptions savantes (notamment cosmologiques et astronomiques) ne nous sont parvenues que par des commentaires des doxographes.

L'apeiron

Comme Thalès de Milet, il aurait cherché un principe fondamental dans l'organisation du monde. Ce n'est pas l'eau, mais l'apeiron : c'est-à-dire un indéfini qualitatif et quantitatif (sans limite, sans fin et sans forme). Hippolyte rapporte que selon Anaximandre « le principe des choses existantes est une certaine nature de l'Illimité dont naissent les cieux et le monde qui se trouve en eux. Cette nature est éternelle et ne vieillit pas ; elle enveloppe tous les mondes ». (Réfutations de toutes les hérésies, I, 6.)

La cosmologie d'Anaximandre

Hippolyte nous renseigne sur les conceptions cosmologiques d'Anaximandre. Selon lui, le savant présocratique « disait que la Terre est en suspens hors de toute contrainte externe mais immobile à cause de son égal éloignement de toutes choses ; sa forme est ronde, arrondie à la façon d'une colonne de pierre ; l'une de ses extrémités planes est la surface que nous foulons, alors que l'autre se trouve à l'extrémité opposée. Les astres sont un cercle de feu, émanation du feu répandu dans le monde et entouré par l'air. Il existe des embouchures qui sont comme des trous de flûte, à travers lesquelles on voit les étoiles ; de telle sorte que lorsque ces embouchures sont obturées les éclipses se produisent ». (Hippolyte, Réfutations de toutes les hérésies, I, 6). Il s'agit d'une conception originale dans laquelle les corps célestes sont des cercles de feux, que l'on ne peut distinguer. Ces anneaux possèdent des ouvertures qui nous permettent de voir les astres. Les cercles tournent, mais nous ne savons pas autour de quoi.

Les historiens considèrent que cette explication constitue, malgré ses innombrables incohérences, une des premières tentatives d'élaboration d'un modèle de mécanique des corps célestes.


Anaximène

Anaximène (580-530 av. J.C. environ) semble avoir été le disciple d'Anaximandre. Sa réputation est grande, notamment parce qu'il aurait écrit un ouvrage exposant de manière simple l'ensemble de ses connaissances. Ce livre, de « vulgarisation » en quelque sorte, ne nous est pas parvenu.

L'air comme principe fondamental

Comme les autres philosophes milésiens, Anaximène introduit un élément premier dans ses explications. Cet élément génère les choses en même temps qu'il les constitue (voir notamment : Hippolyte, Réfutations de toutes les hérésies, I, 7).

L'astronomie d’Anaximène

Pour Anaximène, la Terre est large et plate ; elle flotte sur l'air. Le Soleil, la Lune et les autres astres, flottent sur l'air. Les étoiles seraient « comme des clous enfoncés dans la voûte cristalline » (Aétius, Opinions, II, XIV, 3).


L'école pythagoricienne

L'école pythagoricienne s'est développée en Italie du Sud au 6ème siècle av. J.C. Le fondateur de cette école, Pythagore, aurait vécu entre 580 et 500 environ. Nous savons qu'il est né à Samos et qu'il s'est fixé par la suite à Crotone en Italie méridionale. Les disciples de Pythagore auraient eu tendance à lui attribuer leurs propres découvertes. Les sources sont donc à manier avec beaucoup de précaution. Il aurait rassemblé autour de lui un petit groupe de personnes unies par des croyances religieuses.

Il ne reste aucune oeuvre complète des pythagoriciens. On a donc, comme pour les autres présocratiques, des commentaires des doxographes.

Nous allons examiner les aspects « scientifiques » des oeuvres pythagoriciennes, en n'oubliant pas qu'il s'agit d'une partie d'une philosophie beaucoup plus vaste, qui ne se limite pas aux seules questions savantes.


L'astronomie pythagoricienne

Contrairement aux Milésiens, les Pythagoriciens ne recherchent pas de cause première. Ils font des nombres le principe de toutes les choses. Ils cherchent d'abord le caractère mathématique des phénomènes naturels.

Leurs conceptions astronomiques nous sont parvenues par fragments, nous en restituons ici quelques éléments. Ainsi, Alcméon de Crotone assurait que « les planètes ont un mouvement contraire à celui des étoiles fixes, d'ouest en est ». (Aétius, Opinions, II, XVI, 2-3).

Pythagore aurait été le premier à comprendre « que l'étoile du Soir et l'étoile du Matin [c'est- à-dire Vénus] ne font qu'une ». (Diogène Laërce, Vies, IX, 23.)

Une des premières explications de l'infinitude de l'Univers nous est fournie par Archytas qui, selon Simplicius, exposait ainsi le problème : « Si je me trouvais à la limite extrême du ciel, autrement dit sur la sphère des fixes, pourrais-je tendre au-dehors la main ou un bâton, oui ou non ? Certes, il est absurde que je ne puisse pas le faire ; mais si j'y parviens, cela implique l'existence d'un dehors, corps ou lieu (...). On avancera sans cesse, de la même manière, vers la limite sans cesse atteinte, en posant la même question et, comme ce qu'atteindra le bâton sera sans cesse autre, il est clair que cet autre est aussi illimité ».(Simplicius, Commentaire sur la Physique d'Aristote, 467, 26.)

Il est également possible que les Pythagoriciens aient été les premiers à soutenir que la Terre était sphérique. Cette conception n'est pas fondée sur des expériences, mais sur l'idée que la sphère est considérée comme une forme parfaite. Il s'agit donc d'une esthétique mathématique.


La cosmologie de Philolaos de Crotone

Nous proposons ici de nous focaliser sur une cosmologie particulière d'un Pythagoricien, afin de mieux cerner le rapport entre les nombres et le monde qu'établissent ces présocratiques.

Nous allons analyser plus en détail la conception du monde attribuée à Philolaos de Crotone (450-400 av. J.C.). Nous nous référons en particulier au texte d'Aétius (Opinions, II, VII, 7), qui fournit une présentation relativement complète de la conception cosmologique de Philolaos. Ce dernier distingue plusieurs parties dans l'univers : la zone la plus haute qui correspond aux astres fixes, est appelée Olympe (c'est le domaine réservé aux Dieux) ; ensuite se trouve le Cosmos (ce qui est ordonné) qui contient les planètes, le Soleil et la Lune. Enfin, le Ciel constitue la partie sublunaire.

L'ordre des astres est le suivant : au centre du monde est placé un feu (qui n'est pas le Soleil), puis vient, l'Anti-Terre, la Terre, la Lune, le Soleil, les cinq planètes, et la sphère des étoiles fixes. Tous ces astres tournent autour du feu central. Pour rendre compte du mouvement régulier des cieux, les mouvements des astres se font selon des vitesses précises.

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L'univers de Philolaos de Crotone
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jérôme Lamy et Gilles Bessou

On ignore, dans cette conception, pourquoi le feu central et l'Anti-Terre ne sont pas visibles depuis la Terre. Il convient de remarquer dans ce modèle que c'est la première fois que la Terre n'est pas au centre et qu'elle est en mouvement sur une orbite circulaire. La Lune et le Soleil ne font que réfléchir la lumière du feu central.

Les rayons des orbites sont régis par un ordre mathématique précis que nous indique Plutarque (dans son texte Plutarque donne un ordre différent des astres) : le rayon du feu central est 1, le rayon de l'orbite de l'anti-Terre est 3, de la Terre 9, de la Lune 21, de Mercure 81, de Vénus 243, du Soleil 729 (729 est à la fois un carré et un cube, 272, 93, d'où le nom de carré-cube donné au Soleil) et ainsi de suite par multiplications par 3 successives.

On doit remarquer ici les effets de la mystique des nombres propre aux pythagoriciens : les rayons des orbites des astres suivent une progression de raison 3, non pas parce que ce résultat proviendrait d'observations, mais seulement en raison d'une harmonie céleste que recherchent les pythagoriciens.

Bien que fausse, cette conception de l'univers, avec la Terre en rotation et en orbite, exercera une certaine influence sur quelques philosophes ultérieurs.


Exercice

exerciceAstronomie présocratique

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quels sont pour Thalès et pour Anaximandre les « principes premiers » ?

Question 2)

Quelle est la structure de l'Univers chez le pythagoricien Philolaos de Crotone ?


La science grecque


Les mutations de la civilisation grecque

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Socrate et Agrippus devant des figures géométriques (scène allégorique)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

La deuxième moitié du 5ème siècle est marquée, en Grèce, par plusieurs grandes mutations. L'éducation s'étend grâce aux sophistes qui sont d'abord des rhéteurs. L'équilibre géopolitique au sein du monde grec est considérablement modifié. Athènes constitue désormais le centre intellectuel de la Grèce. Les deux écoles présocratiques s'étaient constituées en Ionie et en Italie. Avec Socrate (v. 470-399 av. J.C.), c'est le coeur même de la Grèce qui devient le foyer savant. Surtout, Socrate modifie la conception de la philosophie jusqu'ici en vigueur. La cosmologie et la physique occupaient jusqu'ici une place prépondérante dans les savoirs produits. A partir de la deuxième moitié du 5ème siècle, l'éthique et la philosophie morale deviennent le domaine privilégié de réflexion.


Le rôle de Platon

Platon (427/8-348 av. J.C.), disciple de Socrate, s'est lui aussi intéressé à l'éthique, mais il a également avancé des idées majeures en science et en particulier dans le domaine de l'astronomie. Simplicius explique que Platon pose ce problème aux mathématiciens : « Quels sont les mouvements circulaires et uniformes et parfaitement réguliers qu'il convient de prendre pour hypothèse, afin que l'on puisse sauver les apparences des astres errants ». (Simplicius, Commentaire à la Physique d'Aristote). Le but de l'astronomie est donc ici fixé. La conception platonicienne de la démarche savante repose sur l'idée que le monde est régi par un ordre précis que l'on peut décrire en terme de mouvements réguliers en utilisant les mathématiques. Platon propose une méthodologie propre à l'astronomie qui aura une grande influence sur la science occidentale. Le philosophe recommande de se tourner vers l'astronomie théorique davantage que vers l'observation. Dans la République il assure que « c'est en faisant usage de problèmes (...) comme en géométrie, que nous étudierons l'astronomie elle-même », même si cette méthode est « infiniment plus ardue que la façon dont on s'y prend maintenant pour faire de l'astronomie » (Platon, La République, 530 av. J.C.)

La contribution majeure de Platon est d'avoir imposé l'idée d'une astronomie fondée sur les mathématiques.

Platon expose, notamment dans la République et le Timée, sa conception du cosmos, dans un langage souvent obscur. Deux idées essentielles émergent toutefois. Platon propose d'abord de distinguer deux types de mouvement, celui de la sphère des fixes et celui du Soleil, de la Lune et des planètes, qui s'effectue dans le sens inverse du premier. Le philosophe grec assure que Vénus et Mercure se déplacent avec la même vitesse angulaire que le Soleil.


Les sphères d'Eudoxe

Eudoxe de Cnide (v. 405-350 av. J.C.) a été, pendant une brève période l'élève de Platon. Il est d'ailleurs possible qu'Eudoxe ait directement influencé Platon. Sa théorie la plus célèbre est celle des sphères homocentriques.

Eudoxe supposait que les trajectoires apparentes du Soleil, de la Lune et des planètes étaient produites par les mouvements circulaires d'un certain nombre de sphères concentriques. La Terre est immobile au centre commun de toutes ces sphères, mais leurs axes sont inclinés l'un par rapport à l'autre, elles tournent à des vitesses différentes. Eudoxe postule l'existence de 4 sphères pour chacune des cinq planètes (chaque planète se trouvant sur l'équateur de la sphère la plus intérieure).

La Lune et le Soleil, qui n'ont pas de mouvement de rétrogradation, n'ont que trois sphères.

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Les sphères d'Eudoxe
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jérôme Lamy et Gilles Bessou

C'est un système très complexe (au total, il compte 27 sphères !) qui permet de rendre compte de phénomènes astronomiques jusqu'ici problématiques. Eudoxe ne dit pas quel statut précis a ces sphères. On ne sait pas, par exemple, si elles ont seulement une existence mathématique et abstraite.


Aristote et la théorie des sphères

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Les sphères d'Aristote
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

La théorie des sphères va être reprise et augmentée par un des philosophes grecs les plus importants de l'antiquité : Aristote (384-322 av. J.C.).

Il convient, avant de détailler ces modifications, de décrire la conception globale du monde selon Aristote. Au centre se trouve la Terre, puis vient la Lune, le Soleil, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne et enfin la sphère des étoiles fixes. L'Univers est divisé en deux parties distinctes et de nature très différente. Le monde sublunaire est composé de quatre éléments : l'eau, l'air, la terre et le feu. Surtout, il est imparfait et corruptible. En revanche le monde supralunaire, constitué d'éther, est le domaine de la perfection. Les objets qui s'y trouvent sont parfaits et immuables. Ils sont sphériques et animés de mouvements circulaires et uniformes.

Aristote a donc affiné le modèle des sphères d'Eudoxe. Il souhaitait notamment expliquer comment s'effectuait la transmission du mouvement d'une sphère à l'autre. Aristote suppose donc que les sphères sont en contact les unes avec les autres. Le philosophe estime que chaque astre est bien sûr soumis aux mouvements de ses sphères, mais également par toutes celles qui les englobent. Aristote ajoute des « sphères tournant à rebours », qui annulent les mouvements des autres sphères. Le modèle comporte désormais 56 sphères. Certains problèmes mathématiques ne sont toujours pas résolus, malgré la complexité du système : ainsi les variations d'éclat des planètes demeurent sans explication.


Les théories d'Héraclide du Pont

Héraclide du Pont (388 – 312 av. J.C.) a été un élève d'Aristote. On lui attribue principalement deux théories. La première concerne la rotation axiale de la Terre en 24 heures, tandis que la sphère des étoiles n'a pas de mouvement. La seconde théorie porte sur le déplacement, en cercle, de Vénus et de Mercure, autour du Soleil. Toutefois, il convient de noter que l'attribution de cette dernière idée à Héraclide est douteuse. Il reste probable qu'elle ait été exprimée à la même époque.


Aristarque de Samos

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Aristarque de Samos, De Magnitudinibus, et distantiis Solis et Lunae, 1572.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Aristarque de Samos (320-250 av. J.C ) est le premier à avoir formulé l'hypothèse héliocentrique. Les informations relatives à cette théorie sont de seconde main et nous connaissons cette hypothèse grâce à un texte d'Archimède. Ce dernier explique qu'Aristarque « suppose en effet que les étoiles fixes et le Soleil restent immobiles, que la terre tourne autour du Soleil sur une circonférence de cercle, le Soleil occupant le centre de cette trajectoire, et que la sphère des fixes, qui s'étend autour du même centre que le Soleil, à la distance des étoiles fixes est comparable au rapport du centre de la sphère à la surface ». (Archimède, Arénaire, I )

Aristarque suppose donc que la sphère des étoiles fixes est immobile et que c'est la Terre qui tourne sur son axe, comme Héraclide du Pont. Il soutient que la Terre se déplace autour du Soleil. Si l'idée de faire se mouvoir Vénus et Mercure autour du Soleil a été probablement introduite antérieurement, l'originalité d'Aristarque est d'avoir fait du Soleil le centre de tout système.

La théorie d'Aristarque semble n'avoir pas connu de succès dans l'Antiquité. Elle n'a été adoptée que par Séleucos de Séleucie, un astronome babylonien du 2ème siècle av. J.C. Comment expliquer ce rejet de la théorie d'Aristarque ? Certains auteurs qui n'étaient pas astronomes, ont condamné les idées d'Aristarque pour des raisons religieuses, car la position centrale de la Terre est une croyance très prégnante chez les Grecs. Pour les astronomes, les objections ne sont pas religieuses. L'argument le plus important est que si la Terre se déplaçait autour du Soleil, les constellations subiraient à nos yeux d'importantes déformations angulaires.


Épicycles et excentriques

Il est très difficile de retracer la généalogie de la théorie des épicycles et excentriques, les sources originales nous manquent, mais les historiens sont globalement d'accord pour indiquer que c'est à Appolonius que l'on doit ces deux théories géométriques. Né à Perga (dans l'actuelle Turquie), il travailla quelque temps à Alexandrie. Appolonius a très probablement été le premier à utiliser les épicycles et les excentriques pour les mouvements du Soleil, de la Lune et des planètes.

Pour les épicycles, la Terre est au centre d'un cercle nommé déférent (du latin deferens, portant). Le centre C de l'épicycle se meut sur le déférent autour de la Terre dans la période où la planète fait un tour du ciel (sa révolution sidérale), tandis que la planète parcourt son épicycle.

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Combinaison d'un cercle déférent et d'un épicycle (a). Mouvement de la planète P autour de la Terre (b). Parties 1, 2, 3, 4 du mouvement décrit en (b), tel qu'il serait vu depuis la Terre (c).
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jérôme Lamy et Gilles Bessou

En ce qui concerne la théorie des excentriques, le corps céleste se déplace le long de la circonférence d'un cercle « excentrique », c'est-à-dire un cercle dont le centre ne coïncide pas avec la Terre. En règle générale, l'hypothèse excentrique est utilisée pour le Soleil et les hypothèses épicycliques pour la Lune et les planètes.


L'oeuvre d'Hipparque

La précision des observations s'accroît progressivement et le premier catalogue astronomique complet est dû à Hipparque de Nicée. On sait très peu de chose de son existence, sinon les dates de son activité astronomique : depuis l'équinoxe d'automne du 26 septembre 147 av. J.C. et la dernière celle de la position de la Lune le 7 juillet 127. Pline l'ancien nous explique l'importance du catalogue d'Hipparque : « Il osa ainsi faire quelque chose qui serait téméraire même pour un dieu : à savoir, compter le nombre des étoiles à l'intention de ses successeurs et réviser nommément la liste des constellations. Pour ce faire, il inventa des instruments qui permettaient d'indiquer leurs diverses positions et leurs grandeurs, de façon que l'ont pût découvrir facilement, non seulement si certains astres périssaient et naissaient mais encore si l'un ou l'autre changeait de position, ou était en mouvement, et aussi s'ils croissaient ou décroissaient en grandeur. Il laissa ainsi le ciel en héritage à l'humanité, si l'on avait pu trouver quelqu'un qui eût été en mesure de revendiquer cet héritage ». (Pline, Histoire naturelle, II, 25, 95).

Ce catalogue d'Hipparque ne nous est pas parvenu. Son existence nous est notamment connue par Ptolémée qui ne cache pas sa dette à l'égard d'Hipparque. Il donnait la position de 850 étoiles (longitudes et latitudes).

Les observations d'Hipparque l'ont conduit à la découverte d'une donnée astronomique capitale : la précession des équinoxes. Les positions des points ne sont pas constantes par rapport aux étoiles fixes : elles se déplacent d'est en ouest de 50 secondes angulaires par an.

C'est en comparant ses observations avec celles faites 160 ans auparavant par deux astronomes (Aristille (vers 300 av. J.C ) et Timocharis (300 av. J. C.)) qu'Hipparque a montré le changement de position des points équinoxiaux. Il a même donné une valeur de la vitesse de ce changement : considérant un mouvement uniforme, Hipparque conclut à un déplacement d'1 degré tous les 100 ans, c'est-à-dire 36 secondes angulaires tous les ans.

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La précession des équinoxes
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jean-Eudes Arlot et Gilles Bessou

"Sauver les apparences"

Comme nous l'avons vu avec Platon, l'expression « Sauver les apparences » constitue un axiome majeur de l'astronomie grecque. « Sauver les apparences » signifie d'abord qu'il est nécessaire de présenter des constructions mathématiques permettant d'expliquer les mouvements des astres en terme de mouvements réguliers et uniformes.

Délaissant les observations, les Grecs ont privilégié les solutions mathématiques. Ils ont également élevé l'uniformité au rang de principe absolu. Ainsi, leur réticence à l'endroit des ellipses s'explique, au moins en partie, par le fait que le mouvement circulaire est à la fois le plus simple et le plus uniforme.


L'école d'Alexandrie

Il s'agit d'un haut lieu de la science hellénistique. Sous la dynastie des Lagides, du 4ème au 2ème siècle av. J.C., l'Égypte devient le pays le plus riche de l'Orient et le centre le plus important de l'hellénisme. Alexandrie est l'épicentre de la vie intellectuelle. Elle dispose d'une bibliothèque d'environ 700000 manuscrits. Il y a également le Musée qui rassemble une communauté de chercheurs. En son sein, l'activité astronomique est intense, grâce notamment à Ératosthène.


Eratosthène de Cyrène

Eratosthène de Cyrène (275-195 environ) est appelé d'Athènes par Ptolémée III pour être précepteur de son fils (le futur Ptolémée IV) et pour être conservateur de la bibliothèque. Ces centres d'intérêt sont multiples : histoire, poésie, grammaire, mathématiques et astronomie.

Il est le premier à avoir donné une approximation presque correcte de la circonférence de la Terre.

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L'expérience d'Eratosthène de Cyrène
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jean-Eudes Arlot et Gilles Bessou + image NASA

Il apprend que dans une ville d'Égypte (Syène, aujourd'hui Assouan), le jour du solstice d'été, les obélisques n'ont pas d'ombre et le Soleil se reflète exactement au fond d'un puits. Au même moment, à Alexandrie, les rayons du Soleil ne tombent pas verticalement : les obélisques ont une ombre. L'angle de l'ombre correspond au cinquantième de la circonférence d'un cercle. Ératosthène connaissait la distance Syène-Alexandrie, qui avait été mesurée par des compteurs de pas professionnels (bématistes). La distance trouvée est 5000 stades ; Ératosthène déduit que la circonférence de la Terre est 250000 stades en supposant qu'Alexandrie et Syène sont sur le même méridien (ce qui n'est pas tout à fait vrai).


Ptolémée

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Ptolémée (v. 90 - v. 168 après J.C.)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Pendant les trois siècles qui s'écoulent entre Hipparque et Ptolémée, il y a un véritable marasme dans le domaine de l'astronomie. Claude Ptolémée a produit une oeuvre considérable. Nous ne savons rien de sa vie, si ce n'est les dates limites de ses observations faites à Alexandrie : de 127 à 151 ap. J.C. Il nous est connu par ses ouvrages, notamment sa Composition mathématique (connu depuis le Moyen-Âge sous le nom arabe d'Almageste, ce qui signifie le Grand Livre). C'est la somme astronomique antique la plus complète qui nous soit parvenue.

Ptolémée connaît très bien ses prédécesseurs, surtout, il évoque fréquemment Hipparque.

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Hypothèse cosmologique d'Aristote, reformulée par Ptolémée
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Ptolémée poursuit l'entreprise astronomique grecque qui consiste à « sauver les apparences » en expliquant les mouvements apparemment irréguliers des astres grâce à la combinaison de mouvements circulaires uniformes. Il utilise au départ les épicycles et les excentriques. Toutefois, Ptolémée parvient à introduire une modification importante dans la théorie initiale.

L'astronome détaille ses observations de Lune. Il souligne certaines discordances entre les positions réelles et celles prédites par la théorie courante.


Le point équant

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Introduction du point équant pour décrire les planètes.
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jérôme Lamy et Gilles Bessou

La planète P se meut sur un cercle excentrique de centre fixe C. T est la Terre. (Le centre du cercle C ne coïncide pas avec la Terre : le cercle est un excentrique) De plus, la planète se meut uniformément non pas par rapport à C, ni par rapport à la Terre, mais par rapport à un point Q (appelé point équant) situé sur TCA de sorte que TC=CQ. La planète tourne de telle manière que l'angle PQA croisse uniformément, c'est-à-dire de quantité égale dans des temps égaux. (C'est donc l'angle AQP qui varie régulièrement en fonction du temps). Dans ce cas, bien que P demeure à la même distance du centre C, le point par rapport auquel le mouvement est uniforme est le point Q (point équant). On peut donc parler de mouvement circulaire par rapport à C, et de mouvement uniforme par rapport à Q, mais on ne peut plus parler de mouvement circulaire uniforme. L'historien Jean-Pierre Verdet parle, à propos du point équant, d'une « tricherie géniale », indiquant par là que Ptolémée parvient à conserver les exigences de mouvements circulaires et uniformes sans pourtant être totalement enfermé dans ce carcan théorique.


L'héritage grec

Avec Ptolémée s'achève le développement de l'astronomie antique. C'est la fin d'un développement intellectuel exceptionnel dont l'origine était grecque. Par la suite la science romaine n'a fait, globalement, que confirmer la science grecque. Les réalisations romaines sont d'une autre nature (notamment dans le domaine de l'architecture ou de la poliorcétique).

La civilisation grecque a fixé un certain nombre de règles qui se rattachent globalement à une pensée scientifique que nous avons en héritage. Toutefois, la culture grecque a été particulièrement menacée de disparition au début de l'ère chrétienne.

Ainsi en 269 ap. J.C., la Bibliothèque d'Alexandrie brûla partiellement lors de l'attaque de la reine Zénobie (reine de Palmyre) ; elle est attaquée en 415 ap. J.C.

C'est en grande partie grâce à l'Islam que l'enseignement grec fut préservé jusqu'à ce qu'il soit récupéré par l'Europe du Moyen-Âge. Nous allons donc évoquer la manière dont est envisagée la pratique astronomique dans les premières années de l'ère chrétienne, jusqu'au 15ème siècle et la révolution copernicienne. Il nous faut distinguer deux ensembles culturels, religieux et politiques distincts (le monde musulman et le monde chrétien), mais pas hermétiques.


Exercice

exerciceLa science grecque

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quelles sont les contraintes méthodologiques que pose Platon pour l'astronomie ?

Question 2)

Quelle est l'organisation de l'Univers chez Aristote ?

Question 3)

Décrivez brièvement la théorie des épicycles et celle des excentriques

Question 4)

Rappeler brièvement le principe de l'expérience d'Eratosthène

Question 5)

Quelle est la « tricherie géniale » de Ptolémée dans l'organisation des mouvements planétaires ?


L'astronomie arabe (7ème - 15ème siècle)


Cadres géographique et historique

Historiquement, la civilisation musulmane a pris son essor, à partir du 7ème siècle, autour de la péninsule arabique, et de ce qui est aujourd'hui la Syrie, l'Irak et la Palestine. Progressivement l'expansion gagne les régions voisines d'Égypte et de Perse. Plus loin, l'Afghanistan, le Turkestan, le Maghreb et l'Espagne sont conquis. Quelques zones de l'Europe méridionale (notamment la Sicile) sont ponctuellement occupées.

La civilisation musulmane se déploie donc dans un immense espace géographique. Lorsque le fondateur de l'Islam, Mahomet, meurt en 632, c'est une grande période de conquête qui s'ouvre. Les premiers Califes dominent rapidement la Syrie, la Mésopotamie, la Perse, l'Égypte, le Maghreb et la péninsule ibérique à partir de 711.

La première dynastie régnante, les Omeyyades, connaît un développement culturel majeur : on assiste à la construction de bibliothèques, à la traduction de nombreux textes.

Les Omeyyades sont renversés en 750. Une nouvelle dynastie domine l'Empire musulman : ce sont les Abbassides. La civilisation Abbasside se maintient officiellement jusqu'en 1258. En fait, les chefs de cette dynastie n'ont plus le pouvoir depuis le milieu du 11ème siècle. Ce sont les Seljoukides qui gouvernent. L'influence de l'Empire musulman décroît progressivement avec le début des Croisades. Parallèlement l'Empire Ottoman monte en puissance.


Observatoires

Il convient de noter que le pouvoir politique, dans l'Empire arabo-musulman, est toujours soucieux de développer les observations astronomiques. Les demandes de l'Etat sont nombreuses et assorties de subsides conséquents.

Le calife al-Mamun à Bagdad est le premier à avoir financé une structure savante dédiée à l'astronomie. Il ne s'agissait pas, à proprement parler, d'un observatoire, mais l'objectif était d'organiser les observations et les calculs. Ces derniers ont été faits dans la Maison de la Sagesse (créée par son père Harun ar-Rashid). Les observations, elles, sont faites sur un des points les plus élevés de la région.

Le premier véritable observatoire (avec ses instruments, ses bâtiments et ses astronomes) n'a été fondé qu'au 13ème siècle dans la ville de Maragha en Asie Centrale. Il a été dirigé par le grand astronome et mathématicien Nasir ad Din At Tusi (qui est mort en 1274). Financé par l'empereur mongol Hulagu, il a fonctionné pendant une vingtaine d'années.

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Extrait du Prodromus Astronomiae d'Hévélius (édition de 1690), présentant notamment le prince Ulugh Beg (le troisième en partant de la gauche)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Au 14ème siècle, un second grand observatoire a été érigé à Samarcande par le prince Ulugh Beg (1393-1449). C'est l'astronome et mathématicien al-Kashi (mort en 1429) qui y dirige les travaux.

Un troisième observatoire a été fondé à Istanbul au 16ème siècle par le sultan ottoman Murad III (1574-1595). Une quinzaine d'astronomes y travaillaient, avec l'aide d'un personnel technique.

Il convient de remarquer que ces observatoires sont tous situés en Orient. Les historiens ne signalent pas d'établissements astronomiques dans la zone d'influence occidentale.


Demande sociale et politique

L'importance du financement étatique témoigne d'une forte demande sociale et politique à l'endroit de l'astronomie. Les pratiques culturelles de la civilisation musulmane impliquent le recours à des connaissances astronomiques précises. Il est ainsi nécessaire de déterminer la position de la Mecque pour les prières. De même, le calendrier musulman est un calendrier lunaire et les astronomes doivent fixer la fin et le début du ramadan (le jeûne des musulmans).

Les savants apportent, dès le 8ème siècle, des réponses pratiques (et parfois approximatives) à ces questions d'ordre religieux. On peut ainsi citer l'exemple des techniques pour orienter les Mosquées et déterminer la direction de la Mecque qui sont expliquées dans des ouvrages intitulés Dala'il al-Qibla (Les indicateurs de la direction de la Mecque).


Traductions

Du 8ème au 11ème siècle, l'astronomie arabe est marquée par un important travail de traduction des textes pré-islamiques. Les sources auxquelles puisent les savants musulmans sont essentiellement grecques, indiennes, persanes, syriaques et babyloniennes. Ainsi, les historiens ont déterminé que l'Almageste de Ptolémée a d'abord été traduit du syriaque en arabe au 8ème siècle (par al-Hasan Ibn Quraysh). À la fin du 8ème siècle, le même texte a été traduit à partir d'une version grecque. L'astronomie pratique n'est pas absente de ce travail de traduction. Ainsi, les ouvrages décrivant le fonctionnement et l'usage des instruments, comme le livre de l'astrolabe de Théon d'Alexandrie du 4ème siècle, sont transcrits.

C'est l'héritage grec qui est le plus puissant dans cette phase de traduction. L'Almageste de Ptolémée constitue l'oeuvre de référence que les traducteurs tentent de mettre à la portée des étudiants.

Parallèlement à cette assimilation des connaissances pré-islamiques (principalement grecques), les astronomes musulmans développent, à partir du 9ème siècle, une pratique observationnelle particulièrement importante. Ainsi, à la demande du calife abbasside al-Ma'mun, les observateurs déterminent l'inclinaison de l'écliptique et la précession des équinoxes. Surtout, comme nous l'avons vu, les recherches ont pour but de perfectionner les solutions mathématiques aux problèmes posés par la pratique culturelle.

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Astrolabe persan (vu de face) - Iran (Ispahan), 1683.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Conservant le cadre ptoléméen du géocentrisme, l'astronomie arabo-musulmane est principalement une science d'observation et de description. Il s'agit d'abord de vérifier et de corriger des phénomènes connus et non de spéculations cosmologiques.

Cette astronomie pratique du monde musulman parvient à pénétrer en Europe. Des dizaines d'ouvrages appartenant à ce domaine ont été traduits en hébreu et en latin.


Exercice

exerciceAstronomie arabe

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Sur quelles demandes sociales s'appuie le développement de l'astronomie arabe ?


L'astronomie dans l'Occident médiéval


Introduction

introductionIntroduction

Le Moyen-Âge savant peut se diviser en quatre grandes périodes : le haut Moyen-âge, les 11 et 12ème siècles, 13-14ème siècles et 14-15ème siècles.


Le haut Moyen-Âge

Le haut Moyen-Âge s'étend des invasions barbares jusqu'au début du 11ème siècle. Cette époque est marquée par un grand désordre politique et économique, consécutif à l'effondrement de l'Empire Romain. Malgré cet effondrement des structures, quelques hommes vont essayer de sauver l'héritage antique. Ainsi Boèce (mort en 524), qui est l'un des fondateurs de la pensée médiévale, propose de prolonger la division des arts libéraux en trivium (logique, grammaire, dialectique) et quadrivium (arithmétique, géométrie, musique et astronomie). Au 8ème siècle, il convient de signaler les travaux de l'anglais Bède le Vénérable (672-735). Lecteur de Pline l'ancien, il s'intéresse beaucoup à l'arithmétique. Dans le domaine de l'astronomie, il observe les rapports des marées avec le mouvement de la Lune.

Le 9ème siècle connaît une embellie politique (on parle parfois de Renaissance carolingienne). La dynastie carolingienne restaure les structures politiques et délimite un vaste empire. Les réalisations scientifiques sont faibles, malgré la multiplication des écoles et des scriptoria (dans les monastères des ateliers où les moines recopient les textes anciens) qui permettent la survie de quelques fragments de la culture antique.

A propos de cette période du haut Moyen-Âge, l'historien Edward Grant écrit : « Un voile sombre s'était abattu sur la science en Europe occidentale ». (Edward Grant, La physique au Moyen-Âge VIème – XVème siècle).


Les 11ème et 12ème siècles

Les 11ème et 12ème siècles sont marqués par une forte poussée démographique, des défrichements importants, le développement des villes et l'extension des ordres monastiques. Les souverains parviennent à limiter les désordres féodaux. C'est aussi le début des croisades. Les contacts et les rencontres avec d'autres civilisations permettent l'introduction en Occident de la science arabe.

Il convient d'évoquer le parcours (à la fin du 10ème et au début du 11ème siècle) de Gerbert d'Aurillac. Né entre 940 et 945 il est d'abord moine à Aurillac puis écolâtre à Reims. Il y enseigne les arts libéraux. Archevêque de Reims, puis de Ravenne, il devient pape en 999 sous le nom de Sylvestre II. Il meurt en 1003. Le point culminant de sa carrière se situe lors de son séjour en Espagne de 967 à 970. Il subit l'influence des arabes et est le premier à introduire en Occident les chiffres dit arabes.

Toutefois, c'est le 12ème siècle qui marque l'apogée de l'ère des traductions qui constitue un tournant capital dans l'histoire des sciences de l'Occident. L'Espagne devient le grand centre culturel où les clercs de l'Europe entière viennent consulter les sources arabes et la science antique. Tolède en particulier constitue, à partir de la fin du 11ème siècle, le pôle majeur des traductions. Les écrits anciens sont massivement traduits en plusieurs langues. Les traductions sont le plus souvent effectuées par deux personnes : l'une transcrivant l'arabe en langue vulgaire et l'autre traduisant cette dernière version en latin.

Parmi les grands traducteurs de l'époque, on peut citer Gérard de Crémone qui traduit l'Almageste de Ptolémée et des textes d'Aristote.


Le 13ème siècle et le début du 14ème siècle

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Libros del saber de astronomia d'Alphonse X (édition de 1863)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Il s'agit probablement de la période la plus intense dans l'assimilation des connaissances, avant que ne soit exposée une science médiévale originale. Les historiens repèrent les éléments d'une activité savante renouvelée. Ainsi, en Espagne Alphonse X le Savant (el Sabio) (1221-1284) a composé une oeuvre astronomique importante. Ces Libros del saber de astronomia terminés en 1280 contiennent la description des sphères célestes, l'énumération des étoiles avec leurs coordonnées, l'étude des principaux instruments (notamment l'astrolabe). Les Tables Alphonsines, présentant de nombreuses corrections par rapport aux anciennes tables, connaissent un très grand succès jusqu'au 16ème siècle.

D'un point de vue institutionnel, la fondation de nombreuses universités au 13ème siècle revitalisent l'enseignement. Les Universités d'Oxford et Paris se concentrent surtout sur la philosophie et les sciences, alors que Bologne s'oriente vers la médecine. Aristote domine les enseignements : ses textes sont étudiés et discutés. Toutefois, à partir du 13ème siècle, le philosophe grec est regardé avec une certaine méfiance, notamment parce qu'il affirme que le monde est éternel, ce qui est en contradiction avec le dogme chrétien. À partir de 1210, les textes d'Aristote ne doivent plus être expliqués à Paris ni en public ni en privé. En 1231, Grégoire IX, dans une bulle ordonne l'expurgation des traités aristotéliciens. Cet ordre n'a jamais été exécuté. Aristote est aussi contesté par les astronomes, notamment en ce qui concerne ses thèses physiques. L'usage que fait Ptolémée des épicycles et des excentriques permet une meilleure adéquation avec les observations, davantage que les combinaisons de sphères d'Aristote.


Deuxième moitié du 14ème et le début du 15ème siècle

La deuxième moitié du 14ème siècle et le début du 15ème siècle sont marqués par une régression économique et démographique. Les universités sont en pleine décadence. Toutefois, la science s'intègre davantage dans la vie pratique en s'associant aux techniques (comptabilité, médecine...). En astronomie l'un des problèmes les plus étudiés au 14ème siècle est celui de l'immobilité supposée de la Terre. Aristote et Ptolémée ont affirmé la tradition d'une Terre immobile. Jean Buridan (v. 1300 – v. 1358) assurait que le mouvement diurne de la sphère stellaire et des planètes pouvait être « sauvé » par l'hypothèse d'une Terre en rotation et d'un ciel immobile ou par son inverse. Finalement Buridan se range à l'opinion traditionnelle. De la même manière, Nicole Oresme (v. 1325-1382), après avoir présenté une série de raisons convaincantes en faveur du mouvement de la Terre, conclut finalement qu'il ne faut pas renoncer à l'opinion traditionnelle selon laquelle la Terre est immobile au centre de l'univers et que les astres et le ciel tournent autour. Il s'agit de protéger la foi chrétienne.

Les blocages sont autant philosophiques que théologiques en ce qui concerne le mouvement de la Terre. Toutefois cette dernière thématique est une question majeure à la fin du Moyen-Âge.


Exercice

exerciceAstronomie en occident médiéval

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Comment s'opère le mouvement d'appropriation de l'héritage grec dans l'Occident médiéval ?

Question 2)

Quelle question, relative à l'astronomie, mobilise les savants de la fin du Moyen-Âge ?


Du Moyen-Âge au 17ème siècle

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

introductionIntroduction

La révolution scientifique du 17ème siècle prend sa source dans les bouleversements issus de la Renaissance. Copernic rompt avec la tradition aristotélicienne et ré-agence un univers désormais héliocentrique. Les travaux de Tycho Brahé et de Kepler constituent d'importants progrès pour l'astronomie. L'introduction de la lunette dans l'activité astronomique par Galilée, constitue une innovation majeure. Nous détaillerons les conséquences concrètes des premières observations à l'aide de l'optique pour la cosmologie aristotélicienne en déclin. Enfin, l'oeuvre de Newton ouvre des perspectives théoriques immenses.


Figures astronomiques de la Renaissance


Nouveaux horizons

D'importants bouleversements modifient considérablement la vision du monde à la fin du Moyen-Âge. Gutenberg invente l'imprimerie, les voyages et les grandes découvertes permettent d'élargir l'horizon des connaissances. Enfin, la science gagne peu à peu son autonomie vis-à-vis de la philosophie.

La Renaissance est marquée par des apports déterminants dans le domaine de l'astronomie.


Nicolas de Cues

Nicolas de Cues (1401-1464) s'attaque au dogme aristotélicien d'une bipartition du monde. Dans son ouvrage intitulé la Docte Ignorance (1440), il nie l'existence des directions. Le « haut » et le « bas » sont des notions. Ces conceptions sont très radicales et ne sont pas reprises par les contemporains de Nicolas de Cues ni même par ses successeurs.


Peurbach et Regiomontanus

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Georg Peurbach, Theoricae planetarum liber, 1556.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Johannes Regiomontanus, Epytoma Joannis de Monte Regio in almagestum Ptolomei, 1496.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Ces deux autres personnages importants au 15ème siècle ont repris contact avec la science grecque et arabe. Ils lisent, corrigent et traduisent les ouvrages les plus importants de l'astronomie antique. Georg von Peurbach (1423-1451) entreprend la traduction de l'Almageste et confie à Regiomontanus (1436-1476) le soin d'achever ce travail. Peurbach est résolument ptoléméen, même s'il remplace les sphères supposées solides par des cercles mathématiques abstraits. Le vrai nom de Regiomontanus est Johann Müller. Ancien élève de l'Université de Vienne, il intègre rapidement le corps enseignant de cette structure. Il a lui aussi, comme nous venons de le voir, soigneusement étudié l'Almageste de Ptolémée, en reprenant les calculs et en commentant les observations.

En 1471, il se rend à Nuremberg. Il s'installe dans une maison équipée d'un observatoire privé. Il observe notamment la comète de 1482. Ses observations étaient si précises, que deux siècles plus tard, en le reprenant, on s'aperçut qu'il avait observé une apparition de la comète de Halley.


Léonard de Vinci

Léonard de Vinci (1452-1519) n'est pas un astronome, mais il a proposé des conceptions cosmologiques proches de celles de Nicolas de Cues. Il semble renoncer au géocentrisme et assure que la Terre et la Lune sont constituées de la même façon.


Exercice

exerciceFigures de la Renaissance

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quels savants de la Renaissance entreprennent la traduction de l'Almageste de Ptolémée ?


La révolution copernicienne


Une révolution conceptuelle

Dans l'histoire de la science occidentale l'oeuvre de Copernic constitue un tournant décisif. Elle va rompre avec le dogme géocentrique et imposé une nouvelle vision de l'Univers. Toutefois, nous verrons que des pans importants des conceptions aristotéliciennes n'ont pas totalement disparu avec la révolution copernicienne.


La vie de Nicolas Copernic

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Nicolas Copernic (1473-1543)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Nicolas Copernic est né le 19 février 1473 à Torun, dans le royaume de Pologne. On sait qu'il est inscrit à l'Université de Cracovie en 1492. Il suit un cursus classique qui va du trivium (grammaire, rhétorique, dialectique) au quadrivium (arithmétique, géométrie, musique et astronomie). Copernic quitte l'Université de Cracovie en 1496. Il n'a pas achevé les quatre années nécessaires pour obtenir un diplôme. Il se rend à l'Université de Bologne. Il entre alors directement en contact avec la pratique astronomique, puisqu'il devient l'assistant de Domenico Maria Novara. Ce dernier est un astronome connu notamment pour ses corrections des données de Ptolémée. Parallèlement, Nicolas Copernic étudie le droit, la médecine et le grec. Sa première observation connue à Bologne a lieu le 9 mars 1497 : il observe la Lune (approchant d'Aldébaran).

En 1501, Nicolas Copernic revient en Pologne et devient le Chanoine du Chapitre de Frombork. Il demande à terminer son cursus à l'Université de Padoue. Il y obtient un diplôme de docteur en droit canon en 1503. Il retrouve alors le Chapitre de Frombork et se consacre à la rédaction de son oeuvre maîtresse : le De Revolutionibus Orbium Caelestium.


Le "De Revolutionibus Orbium Caelestium"

Le livre de Nicolas Copernic est édité en 1543 par Johannes Petreius à Nuremberg. Cette parution a été facilitée par l'aide et le soutien de son disciple Georg Joachim Rheticus (1514-1574) et de son ami proche, Tiedeman Giese (1480-1550), évêque de Chelmno.

Certains ont prétendu que la parution de l'ouvrage a été repoussée en raison des craintes de Copernic vis à vis des réactions de la hiérarchie catholique. Il convient de remarquer que le De Revolutionibus est dédié au pape Paul III. D'autre part, les livres V et VI sont restés inachevés très longtemps.

La structure de l'ouvrage

Le premier livre présente l'organisation générale du monde et les fondements physiques sur lesquels Copernic s'appuie. Le deuxième livre porte sur l'astronomie sphérique. Il présente, en outre, un catalogue d'étoiles, corrigeant les observations de Ptolémée. Le troisième livre aborde la question du mouvement apparent du Soleil, le quatrième livre expose le mouvement de la Lune et le mécanisme des éclipses. Le cinquième livre est consacré aux mouvements en longitude des planètes ; le sixième livre présente leur mouvement en latitude.

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Hypothèse cosmologique de Nicolas Copernic
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le chapitre 8 du premier livre est une critique des thèses aristotéliciennes et ptoléméennes et c'est au chapitre 10, que Nicolas Copernic présente la nouvelle conception du monde. Au centre se trouve le Soleil qui est fixe ; puis viennent Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne. La Terre est accompagnée, dans son périple annuel autour du Soleil, par la Lune. La Terre a le statut de simple planète parmi les autres. Tout le système est enclos dans la sphère des étoiles fixes.

En apparence, les changements sont faibles : seuls deux éléments –la Terre et le Soleil- permutent leur place et leur fonction. Pourtant cette permutation est l'acte fondateur d'une révolution importante.

Le De Revolutionibus présente à la fois une nouvelle cosmologie et une astronomie pratique qui donne les outils géométriques permettant de passer d'un modèle géocentrique à un modèle héliocentrique. Cette astronomie pratique n'utilise pas toutes les potentialités de la théorie cosmologique de Copernic. Ainsi le chanoine polonais ne propose pas de tables des stations et rétrogradations des planètes.

On peut tenter de prendre la mesure des progrès de la théorie de Copernic en la comparant à celle de Ptolémée. Ce dernier avait conservé trois axes du dogme aristotélicien :

En fait, le De Revolutionibus, ne remet en question qu'un seul de ces principes : le géocentrisme. Copernic n'évoque pas la bipartition du monde, et conserve les mouvements circulaires des planètes.


La rédaction du "De Revolutionibus"

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Frontispice allégorique du 17e siècle présentant les systèmes d'Aristote, de Copernic et de Tycho Brahé (J. Riccioli, Almasgestum novum, 1651)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Nous allons examiner les étapes de la rédaction du De Revolutionibus. Copernic va bénéficier de l'appui et du soutien de son assistant, Rhéticus. Ce dernier, professeur de mathématiques, vient à Frombork en 1539. Copernic, alors âgé de 66 ans, travaille depuis très longtemps sur son ouvrage fondamental. Dès 1538 le De Revolutionibus était quasiment prêt. Rhéticus compulse ce manuscrit pour lequel il s'enthousiasme. Il rédige alors un exposé sommaire, sous forme d'une lettre adressée au mathématicien et astronome Johannes Schöner, des idées de Copernic. Il s'agit de la Narratio Prima, édité à Gdansk en 1540. Ce texte connaît un grand succès. Il est à nouveau publié à Bâle en 1541. La communauté scientifique est donc en possession des éléments les plus importants de la théorie copernicienne.

Finalement, Copernic fait éditer son texte. Rhéticus dirige partiellement cette édition en 1543, mais il confie à son ami Andréas Osiander (1498-1552) la supervision de la publication. Ce théologien a une expérience sensible des réactions des aristotéliciens. Conscient que l'Univers décrit par Copernic est contraire à la Bible, Osiander propose une préface prudente. Ce texte, non signé et intitulé Au lecteur sur les hypothèses de cet ouvrage, il explique que les propositions de Copernic sont des hypothèses mathématiques sans lien avec la réalité physique du monde.


Le cercle des proches

Nous avons vu que la diffusion de l'héliocentrisme avait commencé avant le De Revolutionibus, grâce à la Narratio prima de Rhéticus.

Un autre texte a circulé auparavant. Présentant le coeur de la doctrine copernicienne, le mouvement de la Terre autour du Soleil. Plus tard connu sous le titre de Nicolai Copernici de hypothesibus motuum calestium a se constitutis commentariolus, ce bref exposé a probablement été composé entre 1511 et 1512. On sait que Mathias de Miechow, professeur à l'Université de Cracovie, possédait ce premier écrit de Nicolas Copernic.

Le chanoine Wapowski, enseignant à l'Université de Cracovie possède également un exemplaire de ce Commentariolus. Tycho Brahé a reçu également ce texte en 1575.

Il est bien difficile de mesurer l'influence de ce premier texte de Copernic. Seul le milieu universitaire devait probablement être partiellement au courant des thèses du chanoine de Frombork.

L'entourage proche de Copernic a toujours soutenu ses travaux. L'évêque de Chelmno, Tiedemann Giese, par exemple, a encouragé le chanoine à publier ses travaux. Il s'est ému de la préface d'Osiander, parle à ce propos d'un « forfait » et craint que cela retire « tout crédit à l'ouvrage ».

Le travail de Rhéticus a contribué à la diffusion des idées de Copernic. Sa Narratio prima, claire et précise, a connu un grand succès. Sa deuxième édition en 1541 est dédiée par Achille Gasser à son ami le médecin et mathématicien Georg Vögeli.

Ce sont là les premiers informés des thèses de Copernic. Il s'agit de l'entourage proche du chanoine, qui est en accord total avec les idées présentées.


Communautés religieuse et savante

Dès 1539, Luther s'oppose fermement à la nouvelle conception du monde. Le théologien protestant assure que « Certains ont prêté attention à un astrologue parvenu qui s'efforce de montrer que c'est la Terre qui tourne et non le ciel ou le firmament, le Soleil et la Lune (...). Ce fou souhaite renverser toute la science de l'astronomie ; mais l'Écriture Sainte nous dit que Josué commanda au Soleil de s'arrêter, et non à la terre ». Nous reviendrons plus loin (lors de l'examen du procès de Galilée) sur ce passage de la Bible cité ici par Luther. Deux théologiens catholiques, B. Spina et G. Tolosani ont, dès 1546-1457, condamné les thèses de Copernic.

Au-delà de ce cercle, les thèses coperniciennes se diffusent partout en Europe.

On voit bien que les coperniciens sont rares au 16ème siècle. Quelles sont les raisons de cette si lente diffusion des thèses héliocentriques. En fait les thèses de Copernic s'opposent surtout à une tradition pédagogique bien ancrée : la philosophie aristotélicienne. Beaucoup de professeurs dans les Universités considèrent les travaux de Copernic comme bien plus complexes que les exposés d'Aristote. En effet, l'effort d'abstraction est plus grand ; le sens commun est mis à mal. Ceci explique que certains partisans de Copernic préfèrent enseigner les conceptions aristotéliciennes.


Exercice

exerciceCopernic

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quel(s) axiome(s) de la théorie aristotélicienne de l'Univers Copernic remet-il en question ?

Question 2)

Quelles sont les étapes menant au De révolutionnibus ?


Tycho Brahé


Introduction

introductionIntroduction

Tycho Brahé n'est pas convaincu par les thèses héliocentriques de Nicolas Copernic. En particulier, il souligne qu'il n'existe pas d'observations permettant de mettre en évidence la validité de la cosmologie copernicienne.


Éléments biographiques

Tycho Brahé est né le 14 décembre 1545 à Knudstrupp dans ce qui est aujourd'hui la Suède. Mais il est Danois. Son père a été gouverneur du château d'Elsinborg. Dès 1559, Tycho Brahé entre à l'Université de Copenhague. Il suit un cursus classique, comprenant notamment les enseignements de rhétorique et de philosophie. Le 21 août 1560, Tycho Brahé observe une éclipse partielle de Soleil à Copenhague. Cet événement a une influence considérable sur le jeune homme, qui décide alors de se consacrer à la science des astres. Il quitte Copenhague pour l'Université de Leipzig. On peut parler d'un véritable nomadisme étudiant jusqu'à ses 25 ans. Il passe dans les universités de Leipzig, Wittenberg, Rostock, Bâle et Augsbourg. Tycho profite de ses déplacements pour se construire une importante culture livresque en astronomie. Il achète notamment les Tables pruténiques et les Tables alphonsines. Ses instruments sont modestes : un petit globe céleste et un compas.


Premières observations

Sa première observation personnelle a lieu en 1563 (il a 17 ans). Il observe le rapprochement quotidien de Jupiter et de Saturne. Ses observations sont assidues. La conjonction entre les deux planètes a lieu le 17 août 1563. Tycho Brahé note des écarts entre les observations qu'il a effectuées et les calculs des Tables alphonsines et ceux des Tables pruténiques. Ces différences constituent un grave problème aux yeux de Tycho Brahé qui instaure alors la précision des mesures comme règle impérieuse de ses observations. L'astronome Danois n'imagine pas modifier ou corriger les tables existantes, il préfère établir de nouvelles tables en proposant des méthodes d'observation inédites. Tycho Brahé se soucie de la qualité des instruments à employer. Il commence donc par se constituer un arsenal technique de précision. Le premier des objets techniques est un grand quadrant de 19 pieds (1pied=30,48 cm) pour la mesure de la hauteur des astres, qu'il fait construire à Augsbourg. Tycho Brahé fait également construire un sextant de 5 pieds et demi de rayon. Enfin, il possède un grand globe de 5 pieds de diamètre, ce qui souligne sa volonté manifeste de reprendre la cartographie du ciel. Ce sont là les premiers outils techniques à la disposition de l'astronome danois ; nous verrons par la suite qu'il n'a jamais cessé d'améliorer ce corpus instrumental.


La remise en cause d'Aristote

Tycho Brahé est revenu au Danemark en 1570. Il fait alors deux observations fondamentales :

C'est sur le terrain de l'observation que Tycho Brahé parvient à combattre le dogme d'Aristote, jusqu'ici dominant. Toutefois, il convient de noter que les résistances aux travaux de l'astronome danois sont nombreuses.


Uraniborg

Nous l'avons vu, le projet astronomique de Tycho Brahé est ambitieux : il souhaite reprendre entièrement la carte du ciel. Pour cela, il s'efforce d'améliorer ses infrastructures pour l'observation et ses équipements techniques.

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Carte de l'île de Hveen (Tycho Brahé, Astronomiae instauratae mechanica, p. 80)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Vue en coupe de l'observatoire d'Uraniborg
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Tycho Brahé obtient du roi du Danemark Frédéric II, en 1576, l'octroi de l'île de Hveen (aujourd'hui Ven) et une pension. Le souverain accepte également de fournir les subsides nécessaires à la construction d'un observatoire et à l'achat de nouveaux instruments. Tycho Brahé construit son château d'Uraniborg qui était à la fois :

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Trigonomètre de Tycho Brahé (Tycho Brahé, Astronomiae instauratae mechanica)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Sphère armillaire équatoriale de Tycho Brahé (Tycho Brahé, Astronomiae instauratae mechanica, p. 30)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les instruments qui équipent l'observatoire sont nombreux : des quadrants, des sextants, fixés sur des supports en pierre ou en bois. Il possédait également un grand quadrant mural fixe qui lui permettait d'observer le passage des astres au méridien. Tycho Brahé a donné une description précise de ses instruments dans son ouvrage Astronomiae instauratae mechanica (Wandsbeck, 1598).

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Plan de l'observatoire d'Uraniborg
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

L'observatoire de Tycho Brahé constitue à bien des égards le modèle des futurs observatoires institutionnalisés qui émergeront un peu partout en Europe au 17ème siècle.


Une précision sans égale

Les observations de Tycho Brahé ont un caractère systématique qui les distinguent des examens célestes précédents. L'astronome danois comprend que les observations ponctuelles ne suffisaient pas et qu'il était nécessaire d'observer les astres en continu, toutes les nuits. Son objectif est de refondre la Carte céleste avant de mettre au point une théorie des mouvements planétaires. Les observations doivent nécessairement précéder les conjectures et les hypothèses sur l'organisation de l'Univers.

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Frontispice des Tables rudolphines de Kepler
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Tycho Brahé travaille pendant vingt ans à Uraniborg. Son catalogue d'étoiles forme une partie des Tables Rudolphines éditées par Johannes Kepler en 1627. La richesse des journaux d'observations de Tycho Brahé permettra au même Képler d'avancer ses propositions sur le mouvement des planètes.

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Tycho Brahé dans son observatoire, avec ses instruments (Tycho Brahé, Astronomiae instauratae mechanica)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Il convient de souligner que les observations de Tycho Brahé sont d'une extrême précision. Les historiens de l'astronomie s'accordent pour dire qu'elles n'ont été dépassées, en terme d'exactitude, que par les observations de Flamsteed, un siècle plus tard, avec un puissant télescope.


Cosmologie alternative

Tycho Brahé a élaboré un modèle cosmologique qui s'écarte à la fois des conceptions de Ptolémée et de celles de Copernic. La critique énoncée à propos du système géocentrique du chanoine polonais porte sur l'espace immense entre Saturne et la sphère des fixes. Toutefois, il est probable que l'astronome danois ait été sensible au souci d'harmonie mathématique qui présidait à la rédaction du De Revolutionnibus. Sans être convaincu par la théorie de Copernic, Tycho Brahé s'oppose également aux hypothèses de Ptolémée.

Le système conçu par Tycho Brahé imagine une Terre immobile au centre de la sphère stellaire dont la rotation quotidienne rend compte du mouvement des étoiles. La Lune et le Soleil ont pour centre la Terre. Le poids des conceptions de Ptolémée est jusqu'ici très sensible. En revanche, le centre de révolution des planètes Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne est le Soleil.

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Système de Tycho Brahé
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Hypothèse cosmologique de Tycho Brahé
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Ce système sera notamment adopté par les Jésuites au 17ème siècle. Pour nombre d'astronomes de cette période, le système de Tycho Brahé semblait combiner les avantages du système de Ptolémée et de celui de Copernic ; il apparaissait comme un troisième système du monde possible.


Disgrâce

Tycho Brahé, piètre administrateur, a toujours bénéficié de l'aide matérielle du souverain Frédéric II. À la mort de ce dernier, les problèmes financiers de l'astronome vont entraîner sa déchéance. Avec l'avènement de Christian IV en 1588, les dettes de Tycho Brahé ne sont plus apurées et sa pension est supprimée en 1597. L'astronome quitte le Danemark. Il s'installe en Allemagne et fait publier en 1598, à Wandsbeck, son Astronomiae instauratae mechanica. Il donne plusieurs exemplaires aux puissants susceptibles de l'aider. Il fait notamment parvenir un exemplaire à l'empereur Rudolphe II. Ce dernier le nomme mathématicien impérial en lui assurant une aide matérielle conséquente. La rédaction des Tables Rudolphines est interrompue par la mort de Tycho Brahé le 24 septembre 1601.

Toutefois l'oeuvre de Tycho Brahé ne s'interrompt pas à sa mort. Johannes Képler, un de ses assistants, va exploiter ses données observationnelles précises pour substituer les sphères aux ellipses.


Exercice

exerciceBrahé

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

En quoi Tycho Brahé a-t-il transformé la pratique de l'astronomie ?

Question 2)

Décrivez très brièvement le château-observatoire de Tycho Brahé, Uraniborg.


Johannes Kepler


Éléments biographiques

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Johannes Kepler (1571-1630)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Johannes Kepler est né le 27 décembre 1571 à Weilderstadt, dans le Wurtemberg. Kepler a bénéficié du système éducatif mis en place par les princes protestants des ducs du Wurtemberg. En 1589 il entre à l'université de Tübingen. Inscrit à la faculté des arts, il étudie l'éthique, la dialectique, le grec, l'hébreu, la physique. Johannes Kepler est promu maître ès-arts en 1591 et se destine donc à la théologie.

Cependant, cette trajectoire s'interrompt avant qu'il n'obtienne son titre de docteur. En 1593, les Etats de Styrie cherchent un nouveau mathématicien pour remplacer Georges Stadius, récemment décédé. L'université de Tübingen propose Johannes Kepler qui accepte et devient « mathématicien provincial de Styrie ». Kepler enseigne à Graz des rudiments d'astronomie à de jeunes aristocrates protestants.


Le "Secret du monde"

Johannes Kepler publie en 1596, son premier ouvrage intitulé Prodomus dissertationum cosmographicarum continens mysterium cosmographicum (Prodrome aux dissertations cosmographiques contenant le secret du monde). Il s'y présente comme un copernicien convaincu, mais surtout, le Secret du monde déploie une conception originale mais totalement fausse de l'agencement des planètes. Il imagine qu'entre les six sphères sur lesquelles se déplacent les planètes dans le système Copernic, des polyèdres réguliers s'insèrent. Ces polyèdres réguliers sont de cinq espèces possibles ; chaque polyèdre, inscrit dans une sphère, est circonscrit à la sphère inférieure. Ainsi le cube est inscrit dans la sphère de Saturne et circonscrit à la sphère de Jupiter ; suivent le tétraèdre, la sphère de Mars, le dodécaèdre, la sphère de la Terre, l'icosaèdre, la sphère de Vénus, l'octaèdre et enfin la sphère de Mercure.

L'astronomie ne gardera en fait rien du Secret du monde, mais ce livre met en lumière un grand acharnement calculatoire. D'ailleurs Tycho fut très impressionné par l'ouvrage de Kepler et surtout par ses talents de mathématicien.

La rencontre

Un édit contre les protestants contraint Kepler à quitter Graz en 1600. Il se rend à Prague auprès de Tycho Brahé qui vient alors d'obtenir le poste de mathématicien de l'empereur Rudolphe II. Tycho Brahé meurt en 1601 ce qui permet à Kepler de disposer du corpus observationnel de son maître. Parallèlement, il obtient les fonctions de mathématicien de l'empereur.


Les trois lois

Johannes Kepler reprend les observations de Tycho Brahé sur Mars. Le travail calculatoire de Kepler est considérable et lui permet de noter que le système alternatif de Tycho Brahé n'est pas valide, puisque ses observations ne concordent pas. Kepler montre également que les données récoltées ne coïncident pas avec le système copernicien.

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Mouvements de mars entre 1580 et 1590, tracés à partir des observations de Tycho Brahé (J. Kepler, Astronomia nova, p. 4)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Kepler s'efforce de s'en tenir aux observations, en abandonnant ses idées sur l'harmonie céleste. Il comprend qu'il doit rejeter le mouvement circulaire uniforme et rompre avec une tradition astronomique pluriséculaire, que les Grecs avaient imposé. Il découvre finalement que la trajectoire de Mars est elliptique. Johannes Kepler publie ses résultats en 1609 dans un ouvrage intitulé Astronomia nova (L'Astronomie nouvelle). Il formule trois lois :

Une fin de vie difficile

A Prague, Johannes Kepler connaît de grandes difficultés : il perd sa femme et son fils aîné en 1611, son protecteur Rudolphe II est contraint d'abdiquer.

Toutefois, son activité éditoriale et scientifique ne cesse pas. Il publie les Tabulae Rudolphinae à Ulm où il s'est installé. Ses observations sont encore nombreuses, il étudie ainsi la comète de 1618 et les taches du Soleil. Il correspond avec Galilée. Johannes Kepler meurt en 1630.


Exercice

exerciceKepler

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quelles conceptions (fausses) de l'organisation des planètes Kepler présente-t-il dans son ouvrage le Secret du monde ?

Question 2)

Présentez les trois lois de Kepler.


Galilée : la lunette et le procès


Éléments biographiques

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Galilée (1564-1642)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Galileo Galilei (1564-1642)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Galileo Galilei est né à Pise le 15 février 1564. En 1581, il est inscrit à l'Université de Pise, dans la section des Arts Libéraux, comme élève de médecine. Il quitte l'Université sans avoir terminé ses études. Galilée s'intéresse aux mathématiques et se rend à l'Université de Florence. En 1589, il devient professeur de mathématiques à l'Université de Pise. Il n'y reste que trois ans mais se fait des ennemis en contestant les opinions scientifiques de certains de ses collègues plus anciens. En 1592, il obtient un poste de professeur de géométrie et d'astronomie à l'Université de Padoue, qui dépend de la République de Venise. Il y reste jusqu'en 1610. Il rejoint alors Florence, avec les titres de mathématicien et philosophe que lui a accordés le Duc de Médicis.


L'invention de la lunette

Afin de mesurer l'ampleur des changements engagés par cet outil scientifique, il convient de retracer sa genèse. On ne connaît pas les circonstances exactes de sa découverte. Dès le Moyen-Âge, on fabrique des lentilles de verre pour corriger la vue. Mais ce n'est qu'à la fin du 16ème siècle que la science s'empare de la question des lentilles. L'italien Giambattista Della Porta (1534/35 -1615) publie un ouvrage intitulé Magia naturalis (1589) dont une partie est entièrement consacrée à l'optique. Le texte est obscur, mais on y trouve l'explication théorique du fonctionnement de la lunette. Un autre ouvrage important est celui de Kepler, étudié en 1604, Ad Vittelionem paralipomena qui traite des phénomènes de la réfraction. Il donne l'explication des propriétés des lentilles.

On ne peut établir avec certitude la généalogie technique qui mène de ces ouvrages théoriques à la réalisation de la première lunette. Les historiens s'accordent pour penser que ce sont probablement des ouvriers du verre italien qui ont construit une lunette qui a été ensuite reproduite, au début du 17ème siècle par des lunetiers des Pays-Bas. Présentées aux instances politiques, elles sont assez rapidement adoptées dans la perspective d'une application militaire. Toutefois, les milieux savants n'y prêtent aucune attention.

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Galilée et sa lunette
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Galilée s'intéresse à la lunette au printemps 1609. Pendant l'été de la même année, il cherche à en reproduire une. Il prend conscience du formidable pouvoir grossissant de cet outil. Avec un certain aplomb, il présente un exemplaire de la lunette à la République de Venise comme une invention personnelle.

Quoiqu'il en dise, Galilée n'est pas l'inventeur de la lunette. Il a toutefois été le premier à l'introduire dans une démarche scientifique en systématisant les observations.


Les observations de Galilée - 1

Les premières observations astronomiques de Galilée se déroulent entre 1609 et 1610. Nous allons détailler ces premières observations célestes et leurs conséquences immédiates.

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Les Pléiades, observées par Galilée
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les étoiles

Galilée découvre que certaines étoiles ne sont pas visibles à l'oeil nu. Il constate ainsi qu' « il est certes important d'ajouter à la foule des étoiles fixes que les hommes avaient pu, jusqu'à maintenant, observer à l'oeil nu, d'autres étoiles innombrables, et d'offrir au regard leur spectacle, précédemment caché : leur nombre dépasse de plus de dix fois celui des étoiles anciennement connues ». (Galilée, Sidereus Nuncius). Surtout, Galilée détaille l'aspect des étoiles à travers la lunette. Il remarque que, si les planètes sont des cercles nets, « les étoiles ne se présentent pas comme limitées par des circonférences de cercle, mais comme des noyaux de lumière qui rayonnent et scintillent dans toutes les directions » (Galilée, Sidereus Nuncius).

La surface de la Lune

Lorsqu'il examine la Lune avec son instrument, Galilée remarque que la surface de l'astre n'est pas rigoureusement sphérique. Sa surface est accidentée, non uniforme et par conséquent ressemble à la surface de la Terre. Il écrit ainsi que « presque au centre de la Lune se trouve une cavité plus grande que toute autre et parfaitement circulaire (...) : dans son obscurcissement et dans son illumination, elle présenterait le même aspect que celui de la Terre dans une région comparable à la Bohème, si cette région était de tous côtés entourés de hautes montagnes et disposée en cercle parfait ». (Galilée, Sidereus Nuncius). Ici la comparaison avec la Terre est directe et il s'agit d'une remise en cause explicite des thèses aristotéliciennes sur la bipartition du monde. La Lune est censée appartenir au monde supralunaire et ne peut donc avoir un aspect semblable à celui de la Terre qui, elle, appartient au monde sublunaire.

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Les satellites de Jupiter découverts par Galilée
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Observations des satellites de Jupiter par Galilée en 1613 G. Galilei, Sidereus Nuncius)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les satellites de Jupiter

Galilée parvient à observer quatre satellites de Jupiter en janvier 1610. Il explique que c'est un argument important en faveur du modèle copernicien. En effet, les partisans du modèle géocentrique soulignent que si tous les astres tournaient autour du Soleil, le parcours de la Lune autour de la Terre serait une curieuse exception. Galilée explique : « nous tenons un argument excellent et lumineux pour ôter tout scrupule à ceux qui, tout en acceptant tranquillement la révolution des Planètes autour du Soleil dans le Système copernicien, sont tellement perturbés par le tour que fait la seule Lune autour de la Terre –tandis que ces planètes accomplissent toutes deux une révolution annuelle autour du Soleil-, qu'ils jugent que cette organisation du monde doit être rejetée comme une impossibilité. Maintenant, en effet, nous n'avons plus une seule Planète tournant autour d'une autre pendant que deux parcourent un grand orbe autour du Soleil, mais notre perception nous offre quatre étoiles errantes, tandis que toutes poursuivent ensemble avec Jupiter, en l'espace de douze ans, un grand orbe autour du Soleil ». (Galilée, Sidereus Nuncius). Ici encore il s'agit d'un argument en faveur du système de Nicolas Copernic, car avec les satellites de Jupiter, il n'y a plus un seul centre de rotation dans l'univers. Galilée baptise ces satellites de Jupiter, planètes médicéennes en l'honneur du Duc de Médicis (et de ses trois frères) au service duquel il espère être engagé.


Les observations de Galilée - 2

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Taches solaires observées par Galilée en 1610 (G. Galilei, Sidereus Nuncius)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les taches solaires

Galilée n'est pas le premier à avoir observé les taches solaires, ni même à affirmer qu'elles appartiennent au Soleil. Thomas Harriot (1560-1621) est probablement le premier à les avoir observées. Johann Fabricius (1587-1615) est le premier à publier et à donner une interprétation correcte du phénomène en 1611. Christophe Scheiner (1575-1650) publie ses Lettres sur les taches solaires peu après. Galilée n'édite ses observations qu'en 1613. Les historiens reconnaissent toutefois que sa démonstration est aussi rigoureuse que claire et constitue un texte exemplaire de travail scientifique. Voici comment il résume son raisonnement : « Quand on n'ignore pas totalement la perspective, du changement apparent des figures et des vitesses du mouvement, il faut conclure que les tâches sont contiguës au corps solaire et que, touchant sa surface, elles se meuvent avec lui ou sur lui (...). À preuve, leur mouvement : il paraît très lent au bord du disque solaire et plus rapide vers le centre ; autre preuve encore, la forme des taches : au bord de la circonférence elles paraissent beaucoup plus étroites qu'au centre ; c'est qu'au centre on les voit en majesté, telles qu'elles sont vraiment, alors que près de la circonférence, quand se dérobe la surface du globe, on les voit en raccourci ». (Galilée, Dialogue sur les deux grands systèmes du monde) Il s'agit, une nouvelle fois d'une contradiction du système d'Aristote, qui place le Soleil dans le domaine immuable des cieux. Aucun changement ne peut donc se produire à sa surface. Pour Galilée ses observations sur les taches du Soleil sont l'occasion de s'affirmer clairement en partisan de Copernic.

Une nouvelle fois, le monde céleste n'est pas immuable et connaît des changements, des évolutions. Aristote et les Ecritures peuvent être mis en défaut. Rien ne s'oppose donc à l'adoption du système de Copernic.

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Galileo Galilei, Sidereus Nuncius, 1610.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

La publication

Galilée a très vite compris que ses observations constituaient des arguments majeurs pour défendre la théorie de Copernic. Il décide donc de les faire connaître à la communauté savante. Dès 1610, il fait imprimer à Venise un opuscule qui présente ses travaux. Le 12 mars 1610 paraît donc le Siderius Nuncius (Le Messager céleste). L'ouvrage est rédigé en latin car il est destiné à la communauté scientifique.


Les qualités terrestres de la lunette

Galilée espérait un accueil positif de ses observations effectuées grâce à la lunette. On peut parler d'un enthousiasme en ce qui concerne l'usage terrestre de l'instrument. Julius Caesar La Galla explique ainsi en 1612 qu'il a pu, sur les collines de Rome, examiner « le palais du très illustre duc Altemps sur les collines de Toscane, si distinctement que nous avons aisément compté chacune de ces fenêtres, même la plus petite » (Julius Caesar La Galla, De phaenomenis in orbe lunae novi telescopii usa a D. Galileo Galilei nunc iterum suscitatis physica disputatio).

Toutefois, Galilée doit aussi faire face à une grande défiance et à d'âpres critiques, notamment en ce qui concerne l'usage « céleste » de la lunette.


Controverses

Plusieurs savants refusaient d'accorder le moindre crédit aux découvertes effectuées grâce à la lunette. C'est notamment le cas d'un aristotélicien qui avait côtoyé Galilée à Padoue, Cesare Cremonini (v. 1550-1631). Nous connaissons sa réaction grâce à une lettre, de juillet 1611, d'un ami commun de Galilée et de Cremonini, Paolo Gualdo. Ce dernier indique à Galilée qu'il s'est récemment rendu chez Cremonini et qu'il lui a demandé si, dans son prochain ouvrage, il évoquerait les observations de Galilée. La réaction de Cremonini est sèche et sans appel : « je ne fais aucune allusion à ses récentes observations. (...) Il suffit, je ne veux plus en entendre parler ».

Un des opposants à ces découvertes de Galilée est Antonio Magini (1555-1617), titulaire de la chaire de mathématiques de l'Université de Bologne. Galilée souhaite convaincre son collègue et pour cela se rend à Bologne. Martin Horky de Lochovic qui est présent relate la démonstration de Galilée. Il assure qu'après un usage long et répété, il a constaté que « pour les objets terrestres, la lunette fait merveille. Pour les objets célestes, elle se trompe, car certaines étoiles fixes y apparaissent doubles. Je peux produire les témoignages d'hommes très distingués et de savants les plus connus (...) tous ont avoué que l'instrument de Galilée donne une vision fausse. Mais Galilée garda le silence, et le 26 il prit tristement congé de l'illustrissime Dr Magini ».

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Christophorus Clavius (1538-1612)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le père Clavius (1537-1612), professeur de mathématiques au Collège romain et autorité scientifique de premier plan, assure, dans un premier temps, que les découvertes de Galilée ne sont que le produit d'illusions créées par les lentilles.

Par la suite Clavius et Magini feront amende honorable. Ils reconnaîtront la validité des observations de Galilée ainsi que les qualités de la lunette.


Le jugement de Kepler

Johannes Kepler constitue une référence scientifique majeure du début du 16ème siècle. On peut donc s'interroger sur la manière dont il a reçu les découvertes de Galilée.

Sa première réaction est prudente. Il écrit à Galilée en août 1610 pour lui exprimer ses doutes quant aux découvertes dont il parle : « Je ne veux pas vous cacher qu'un bon nombre d'Italiens ont envoyé des lettres à Prague, affirmant qu'ils n'avaient pu voir ces étoiles [les lunes de Jupiter] avec votre lunette. (...) Je regrette que la confirmation par les autres prenne autant de temps à se montrer (...). Alors, je vous en conjure, Galilée, donnez-moi des témoins dès que possible (...) ». Dès qu'il obtient une lunette de bonne qualité, Kepler cherche à examiner les satellites de Jupiter. Il est rapidement convaincu de la validité des découvertes et souhaite le faire savoir. Il rédige, en 1611, un bref ouvrage intitulé Narratio de observatis a se quattuor Jovis satellibus erronibus (Récit des observation que j'ai faites concernant quatre satellites se mouvant autour de Jupiter). La conclusion est très claire : « Ami lecteur, c'est pour toi que j'ai décidé de rendre publiques ces quelques observations hâtives afin que, soit sur la foi de mes déclarations et des témoignages que j'apporte, tu en viennes à renoncer complètement au doute et à reconnaître la vérité qui s'offre ouvertement à toi, soit que tu fasses des observations toi-même, avec un bon instrument qui te permette de voir par toi-même la réalité des choses ».

La publication des découvertes de Galilée marque le premier succès du savant italien. La suite de sa carrière va s'organiser autour de sa prise de position en faveur du système de Copernic.


L'affaire Galilée - 1

Le point de vue de l'Eglise

Pour l'Église, la question de l'héliocentrisme reste en suspend, à la fin du 17ème siècle. Les théologiens maintenaient une distinction entre la réalité physique du monde et les théories mathématiques abstraites. Dans l'enseignement, la philosophie naturelle (qui correspond à la physique) décrit la réalité alors que les mathématiques se contentent de faire correspondre les observations à des modèles. Dans ce cadre ainsi définit, les conceptions de Copernic sont un modèle mathématique parmi d'autres, mais elles ne rendent pas compte de la réalité.

Polémique

Il est important de rappeler qu'en 1610, Galilée a obtenu le titre de philosophe et de mathématicien à l'Université de Florence. Ainsi, lorsqu'il s'exprime, il ne lui est plus permis d'évoquer les seuls modèles mathématiques.

Les premiers reproches de l'Eglise à l'endroit de Galilée portent sur le Siderus Nuncius qui défend, au moins implicitement, les thèses de Copernic.

Les théologiens relèvent dans la conception de l'Univers telle qu'envisagée par le chanoine polonais, une contradiction fondamentale avec les Saintes Ecritures. Dans le Livre de Josué, Josué aide les habitants de Gabaon à lutter contre les rois amorites. Les troupes de ces derniers fuient. Et c'est au Soleil que le prophète Josué ordonne de suspendre sa course, non à la Terre. « Soleil, arrête-toi sur Gabaon. Lune, sur la vallée d'Ayyalôn ! Et le Soleil s'arrêta et la Lune s'immobilisa jusqu'à ce que la nation fut vengée de ses ennemis. (...). Le Soleil s'immobilisa au milieu des cieux et il ne se hâta pas de se coucher pendant près d'un jour entier » (Livre de Josué, 10-12 et 10-13).

Galilée quant à lui, ne voit pas de contradiction. Il assure que Dieu s'adresse aux hommes à la fois par les Saintes Écritures, mais aussi par le livre de la Nature. Les Saintes Écritures, pour être à la portée des hommes, retranscrivent la parole divine avec des simplifications. En revanche, l'expression de Dieu à travers la nature est dénuée d'interprétations. Ainsi la science qui déchiffre le livre de la nature doit avoir l'avantage sur les Saintes Ecritures. Ces propos nourrissent la polémique et le Saint-Office à Rome se penche sur les activités de Galilée en 1615. Le De Revolutionibus de Copernic est mis à l'index en 1615. Le pape Paul V convoque Galilée à Rome et lui demande de ne pas diffuser les thèses du chanoine polonais, ce que l'astronome italien va faire pendant sept ans.


L'affaire Galilée - 2

L'élection d'un nouveau pape

En 1623, le cardinal Barberini est élu pape sous le nom d'Urbain VIII. Un rapport de patronage s'instaure entre le pape et le savant. Urbain VIII autorise Galilée à publier un ouvrage exposant les deux systèmes astronomiques, celui d'Aristote et celui de Copernic. Le pape pose deux conditions :

Le livre de Galilée s'intitule Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, (Dialogue sur les deux grands systèmes du monde). Il est imprimé à Florence en 1632.

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Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, de Galilée, 1632
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Galilée lui a donné une forme particulière puisque le livre présente trois interlocuteurs discutant pendant quatre jours du système aristotélicien et du système copernicien.

Simplicio est le nom d'un ancien commentateur d'Aristote alors que Sagredo et Salviati sont les noms de deux amis de Galilée, décédés lorsqu'il rédige son ouvrage.

La forme de l'ouvrage (la mise en scène d'un dialogue) et l'utilisation de l'italien (et non du latin pour les textes scientifiques), soulignent la volonté de Galilée d'être le plus largement possible entendu.

L'ouvrage se divise en quatre grandes parties. La première discute de l'organisation générale de l'Univers. Galilée pose le principe d'un Univers ordonné, soumis partout aux mêmes lois physiques. L'astronome italien critique donc la bipartition du monde telle que l'envisage les aristotéliciens. Dans la deuxième partie du livre, Galilée réfute les arguments contre le mouvement de la Terre. La troisième partie évoque la structure de l'Univers et reprend l'ordre des planètes de Copernic. Enfin, dans la quatrième partie, le savant italien propose une théorie des marées qui sera très critiquée car il réfute l'attraction de la Lune.


L'affaire Galilée - 3

La réaction d'Urbain VIII

Le pape, dès qu'il a connaissance du contenu du livre, ordonne que l'on arrête de diffuser ce livre. Mais nombres d'exemplaires sont déjà en circulation.

Pourquoi le pape a-t-il brusquement changé d'attitude ? Il s'est d'abord senti trahi par Galilée qui n'a pas respecté ses engagements. Le savant italien n'a pas publié son ouvrage à Rome et il n'a pas respecté l'exigence d'équilibre dans la présentation des systèmes cosmologiques. D'autre part, d'un point de vue géopolitique, le pape est dans une position délicate.

Le pape a soutenu la France, alors que cette dernière s'est alliée au roi de Suède pour soutenir les protestants. Le roi d'Espagne, qui est en guerre contre les princes protestants (Guerre de Trente Ans), accuse le pape de laxisme. Cette accusation est également formulée par les Jésuites, dont le pouvoir est de plus en plus grand dans la curie romaine. Urbain VIII se doit de réagir et pour cela, le procès de Galilée est l'occasion d'affirmer son rôle de chef religieux et politique.

Un procès particulier

Urbain VIII n'abandonne pas totalement Galilée. La commission qui conduit la procédure ne comprend qu'un seul Jésuite. Elle est en outre présidé par le propre neveu d'Urbain VIII ce qui est déjà l'assurant d'une certaine clémence. Un seul chef d'accusation est retenu contre Galilée : celui de n'avoir pas respecté l'interdiction qui lui avait été faite en 1616 de diffuser les thèses de Copernic. La sentence du 22 juin 1633 prévoit que l'ouvrage est interdit et oblige Galilée à abjurer ses « erreurs » Il est désormais assigné à résidence dans sa maison de campagne, près de Florence. Galilée se soumet. Il meurt, presque aveugle, dans sa résidence de Florence en 1642.


Exercice

exerciceGalilée

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Quelles sont les quatre premières observations de Galilée avec sa lunette ?

Question 2)

Que lui permettent-elles d'avancer comme arguments ?

Question 3)

Rappeler les circonstances (scientifiques, religieuses et politiques) de la condamnation de Galilée.


L'oeuvre monumentale de Newton


Éléments biographiques

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Isaac Newton (1643-1727)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Isaac Newton est né le 4 janvier 1643 dans le hameau de Woolsthorpe. Son père était mort trois mois auparavant. Newton fréquente l'école secondaire de Grantham, jusqu'à l'âge de 16 ans. Il arrive à Cambridge en 1660. Il y rencontre le mathématicien Isaac Barrow (auteur de Leçons mathématique remarquées par Leibniz). On sait qu'à cette époque Newton lit (plume en main) les Eléments d'Euclide, la Géométrie de Descartes et le Dialogue de Galilée. Lorsqu'il a obtenu son baccalauréat, il a une formation en mathématique. La peste sévit à Cambridge, il rentre donc dans son hameau natal.

Newton décrit ainsi cette période de retrait propice à la réflexion :

« J'étais dans la plénitude de mes facultés d'invention et occupé par les mathématiques et la philosophie plus qu'à aucune autre période de ma vie ».

C'est pendant cette période que Newton va poser les fondements de son optique et de sa mécanique.


Aux origines des "Principia"

Newton se pose la question fondamentale : la chute des corps et la révolution de la Lune autour de la terre, obéissent-elles à la même loi physique ?

Ce n'est en effet probablement pas avant 1684 que Newton se trouva en possession de tous les principes dynamiques impliqués. Cette même année 1684, le célèbre Edmund Halley (1656-1748) rend visite à Newton pour discuter avec lui du problème des planètes. Christopher Wren (1623-1723) (qui comme architecte à participé à la reconstruction de Londres après le grand incendie) avait proposé de faire cadeau d'un livre à Edmund Halley ou au physicien Robert Hooke (1635-1703) s'ils pouvaient résoudre ce problème. Comme aucun d'eux n'y parvint, Halley décide de s'informer auprès de Newton. À sa grande surprise, Newton lui répond que la force reliant le Soleil et les planètes, qui avait pour conséquence une orbite elliptique, opérait selon la loi inverse des carrés et qu'il l'avait démontré. Il ne put cependant produire la preuve et promit de la mettre par écrit et de l'envoyer à Halley.

Newton tient parole et fait parvenir un petit traité. Halley réalise l'importance immense de ce travail et presse Newton d'écrire un ouvrage complet sur toute la question du mouvement, en lui disant que la Royal Society le publierait. (La Royal Society n'a pas les moyens de cette publication et c'est Halley qui paya sur ses deniers personnels l'impression de l'ouvrage).


Les "Principia"

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Philosophiae naturalis principia mathematica de Newton
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

En 1687, l'ouvrage est terminé et imprimé. Il paraît sous le titre Philosophiae naturalis principia mathematica (Principe mathématiques de philosophie naturelle). L'ouvrage se compose de 3 livres.

Le livre I est consacré à l'étude des mouvements des corps soumis à l'action d'une force centrale dans le cas idéal où ces corps sont dans un vide parfait. Le livre II examine les mouvements de ces mêmes corps lorsqu'ils baignent dans un fluide plus ou moins résistant. Le livre III présente le système du monde. Il s'ouvre par cette déclaration de Newton : « J'ai donné dans les livres précédents les principes de la philosophie naturelle, et je les ai traités plutôt en mathématicien qu'en physicien, car les vérités mathématiques peuvent servir de base à diverses recherches philosophiques, telles que celles sur les lois des mouvements et des forces motrices. Et afin de rendre ces matières plus intéressantes, j'y ai joint quelques scholies dans lesquels j'ai traité de la densité des corps et de leur résistance, du vide, du mouvement du son et de celui de la lumière qui sont, à proprement parler des recherches plus physiques. Il me reste à expliquer par les mêmes principes mathématiques le système général du monde ». (Isaac Newton, Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687)


Lois du mouvement et gravitation

La position de Newton est en fait la même que celle de Copernic : les mathématiques sont écrites pour les mathématiciens.

Les Principia ont une importance considérable et leur impact a été immense. En un seul livre, Newton a reformulé toutes les connaissances sur les corps en mouvement avec une précision mathématique jusqu'ici inégalée.

Nous allons présenter (dans les grandes lignes et sans entrer dans les aspects mathématiques et techniques) les résultats apportés par Newton. Les Principia exposent :

En ce qui concerne les trois lois du mouvement :

En ce qui concerne la loi de gravitation universelle :

Elle peut s'énoncer ainsi :

Deux corps de masses respectives m et M, situés à la distance r (distance entre les deux corps) exercent l'un sur l'autre une force F=G*fraction(M*m;r^2)G est une constante universelle (égale à 6,67.10-11 N.m2.Kg-2). Newton ignorait la valeur de la constante G, mais il se doutait qu'elle devait être très faible.


Applications

Les Principia de Newton ont si définitivement clos une époque de l'astronomie que ses successeurs s'attachèrent surtout à consolider les résultats auxquels il était parvenu. Par exemple, Halley applique les mathématiques du mouvement et la gravitation à la question des comètes. Il s'aperçut que les apparitions de comètes qui avaient été observées en 1531 et 1607, semblaient liées à la comète brillante de 1682 ; postulant qu'il s'agissait d'un seul et même corps céleste, il calcula son retour pour décembre 1758 en utilisant la loi de la gravitation universelle pour évaluer le retard qui serait provoqué par Jupiter. De fait la comète réapparut quelques jours plus tard qu'il ne l'avait prévu (l'effet de Jupiter était un peu plus élevé qu'il ne l'avait estimé) et la comète de Halley fut la première justification de la théorie de Newton.

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Alexis Clairaut (1713-1765)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Plus tard, d'autres astronomes ont appliqué la théorie pour constater avec précision les actions mutuelles ou « perturbations » que les planètes provoquaient entre elles. Dans ce domaine, plusieurs mathématiciens ont réalisé de grands progrès notamment Alexis Clairaut.

Les Principia furent le point culminant de l'astronomie planétaire ; même s'ils débordent très largement le strict cadre de l'astronomie.


Le télescope

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Les trois types de télescope : 1. le télescope à réfraction, 2. le télescope à réflexion mis au point par Grégory, 3. le télescope à réflexion de Newton.
Crédit : Astrophysique sur Mesure / Jérôme Lamy et Gilles Bessou

Il faut noter enfin, une innovation technique de Newton à destination de l'astronomie : le télescope à réflexion.

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Schéma du télescope de Newton (I. Newton, Optice, Londres, 1706)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

James Gregory (1638-1675) (mathématicien écossais) suggéra en 1663 l'utilisation d'un miroir parabolique évidé au centre comme objectif ; un miroir concave de surface ellipsoïdale renvoie le faisceau ; l'oculaire est placé en arrière de l'objectif. Newton a critiqué le projet (non réalisé) de Gregory et a proposé un modèle plus simple : le faisceau est renvoyé latéralement à l'aide d'un miroir plan incliné placé à peu de distance du foyer de l'objectif.

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Le télescope d'Isaac Newton
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

En 1672, Newton présentait en public un télescope de bonne qualité, premier réflecteur réellement utilisable. L'objectif avait une ouverture de 25 mm et une distance focale de 16 cm. Il l'a fait entièrement de ses mains. Il a adopté un alliage de cuivre et d'étain. Pour le polissage, il utilisa de la poix.


Exercice

exerciceNewton

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Comment naît la rédaction des Principia de Newton ?


Du 17ème au 18ème siècle

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

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Encyclopédie ou dictionnaire raisonné des sciences, des arts et des métiers, 1751, Tome I.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les Lumières sont d'abord marquées, dans le domaine savant, par un effort de structuration autour des Académies et de la République des Lettres. De nombreux observatoires voient le jour et permettent un accroissement conséquent du corpus de données. L'astronomie stellaire et cométaire illustre les progrès à l'oeuvre. D'un point de vue théorique, de nouvelles conceptions de l'Univers émergent avec Wright, Kant, Lambert et Laplace.

L'astronomie stellaire par exemple se développe grâce à Herschel bien sûr, mais aussi avec la multiplication des catalogues détaillant la position des astres. De même, l'astronomie cométaire connaît un essor considérable grâce aux travaux de l'astronome britannique Edmond Halley. Les réflexions et les observations de William Herschel, au 18ème siècle sur la « construction des cieux » constituent des apports majeurs à l'astronomie de l'époque moderne. Enfin, les discussions sur la forme de la Terre, en France, au 18ème siècle, sont l'occasion de mettre en tension les théories cartésienne et newtonienne.

Aux 18ème et 19ème siècles, les découvertes d'Uranus et de Neptune, ainsi que celles des petites planètes, témoignent autant des progrès instrumentaux que du raffinement mathématique de la mécanique céleste. Après 1850, l'astronomie se diversifie : astronomie physique, photométrie et photographie témoignent d'un important dynamisme savant.

Ce sont ces différents éléments que nous proposons d'étudier dans le chapitre suivant. Il convient de remarquer que durant cette période, il existe une articulation très forte entre les observations et les travaux spéculatifs. Si Herschel incarne à lui seul cette dimension caractéristique de l'astronomie post-newtonienne, il convient de souligner qu'il s'agit d'un arrière-plan méthodologique et épistémologique qui traverse toutes les recherches entreprises aux 18ème et 19ème siècles.


La création des observatoires aux 17ème et 18ème siècle


La République savante

Il convient d'évoquer maintenant un changement profond qui intervient aux 17ème et 18ème siècles dans l'organisation de la pratique scientifique en Europe.

Au 17ème siècle, la vie intellectuelle est marquée par les changements profonds dans les modes de diffusion des idées scientifiques. La circulation de ces dernières est favorisée par l'existence de cercles savants, structures souples de discussions et de confrontation des opinions. À Paris, l'Académie de Pierre Rémond de Montmort (1678-1719) organise des lectures et fait en sorte que les savants partagent leurs expériences. De nombreuses querelles peuvent survenir et provoquer la disparition de ces cercles. Pour passer outre ces oppositions frontales, certains savants privilégient la correspondance comme moyen de circulation des réflexions et des comptes rendus d'expériences. Ainsi, Marin Mersenne (1588-1648) est-il le véritable architecte d'une « république des lettres » dans laquelle les différents intervenants en France et en Europe échangent des informations sur les travaux en cours. Dès le 16ème siècle, en Italie, le modèle académique permet d'institutionnaliser les pratiques savantes et donne corps à la communauté scientifique.

La fondation de l'Académie des Sciences en France en 1666 constitue une étape supplémentaire dans l'institutionnalisation de la science, en substituant aux académies privées un organe étatique.


Fondations d'observatoires

La création de grands observatoires s'inscrit dans ce vaste mouvement. Examinons le cas des deux principaux observatoires :

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L'Observatoire de Paris au 17ème siècle
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Jean-Dominique Cassini (1625-1712)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Travaux de Cassini à l'Observatoire de Paris : observations d'une tache sur Jupiter en 1672
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Travaux de Cassini à l'Observatoire de Paris : observations de la division de l'anneau de Saturne (1677)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Les travaux de Roemer à l'Observatoire de Paris sur la vitesse de la Lumière
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le 18ème siècle correspond, en particulier en France, à un développement considérable des observatoires. Les villes de Province, qui cherchent à ressembler à Paris, créent des Académies et fondent des espaces d'observations.

A Montpellier, à Dijon, à Bordeaux et à Toulouse des observatoires sont construits dans la première moitié du 18ème siècle. Peu à peu, les astronomes cherchent à se détacher des académies. C'est notamment le cas à Toulouse, où les observateurs quittent l'observatoire de l'Académie, fixé dans une Tour des Remparts de la ville, pour créer des observatoires au dessus de leurs propres maisons.

Ce même phénomène se retrouve à Paris où l'on voit fleurir des observatoires un peu partout : au Collège royal, à l'Ecole Militaire, dans les tourelles de certains châteaux.


Exercice

exerciceRépublique des Lettres

Difficulté : ☆☆   Temps : 20

Question 1)

Sur quels moyens d'échange se fonde la " République des Lettres " ?


Etoiles, comètes et nébuleuses


Aberration et nutation

Le 18ème siècle est marqué par une plus grande précision dans les observations ; la découverte des effets de l'aberration et la nutation dans les mesures vont contribuer très directement à accroître l'exactitude des travaux astronomiques.

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James Bradley (1693-1762)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

L'aberration est un phénomène imputable au mouvement de la Terre : il existe une différence entre la direction dans laquelle on examine un astre et celle dans laquelle il est par rapport au Soleil. C'est l'astronome britannique James Bradley qui a découvert l'aberration en 1726. Au départ, le savant anglais voulait détecter l'effet de parallaxe produit par la Terre sur les étoiles proches. En fait, Bradley découvre qu'en plus du mouvement parallactique, il existe un autre phénomène, l'aberration.

Bradley a également mis en évidence, en 1737, le mouvement d'oscillation de l'axe de la Terre sous l'action de la Lune. Ce phénomène se traduit par un mouvement des pôles célestes qui vient s'ajouter à celui de la précession.


Le Catalogue d'Edmond Halley

Curieusement, le premier catalogue d'étoiles publié, qui combine l'optique à la mesure des positions, concerne la partie australe du ciel. Il s'agit du travail d'Edmond Halley sur l'île Sainte-Hélène pendant un an. Observateur constant et régulier, Halley s'initie à l'astronomie en remarquant qu'il existe des erreurs importantes dans les tables astronomiques présentant les mouvements des planètes. Son premier mouvement est de corriger ces tables ; mais il se ravise et décide de remonter à la racine du problème en révisant les positions des étoiles qui, ensuite, servent à fixer le déplacement des planètes. Edmond Halley, qui n'est encore qu'étudiant au Queen's College d'Oxford, décide, avec une instrumentation renouvelée et performante, de réaliser un inventaire des étoiles australes. Il choisit l'Ile Sainte-Hélène qui est, dit-il, « le pays le plus méridional de tous ceux qui sont sous la domination des Anglois ». Le père de Halley assure le financement de l'expédition ; le président de la Royal Society et Secrétaire d'Etat Joseph Williamson, et Jonas Morre, mathématicien de renom, supervisent les travaux du jeune astronome. Surtout, Halley bénéficie de l'appuie du roi Charles II. Edmond Halley s'embarque donc en 1677, avec son assistant Clerk, à bord du Unity, pour rejoindre l'île Saint-Hélène.

Le catalogue stellaire du jeune étudiant britannique est clairement inscrit dans une lignée de recherches identiques qu'il corrige, amende ou commente. Il remarque par exemple que, dans la constellation du Sagittaire, les étoiles sont moins brillantes que lorsque Ptolémée les avait décrites dans l'Antiquité. Il existe donc un rapport dialectique entre les catalogues d'étoiles anciens et celui qu'élabore Halley. L'inventaire céleste s'envisage d'abord comme un travail cumulatif dans lequel chaque recherche s'appuie sur les précédentes pour être améliorée.


John Flamsteed à Greenwich

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Constellation du Bélier dans l'Atlas Coelestis de John Flamsteed (Londres, 1753)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les catalogues stellaires semblent être, à la fin du 17ème siècle et au début du 18ème siècle, l'apanage des britanniques. John Flamsteed, premier astronome royal de l'observatoire de Greenwich, a en effet publié un catalogue important dont l'édition fut difficile.

John Flamsteed ne dispose, aux débuts de son activité à Greenwich en 1676, d'aucun moyen financier pour se constituer un équipement instrumental. Le mathématicien Jonas Moore pourvoit donc aux dépenses techniques de Flamsteed. L'astronome dispose finalement d'un sextant de six pieds de rayon, d'abord en bois, puis en fer ; le limbe est en cuivre. Il a également un quart de cercle en fer de trois pieds de rayon et un cercle mural.

Comme Halley, Flamsteed inscrit dans ses travaux une généalogie de catalogues stellaires qu'il a longuement compulsés : il rassemble ainsi les catalogues de Ptolémée, d'Ulugh-Beigh, de Tycho Brahé et d'Hévélius.

Il convient de souligner, une nouvelle fois, le souci des astronomes britanniques de poursuivre une œuvre séculaire de repérage des astres, d'améliorer la précision de leurs observations et ainsi d'accroître la qualité des catalogues proposés.


L'Histoire céleste de Flamsteed

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John Flamsteed (1646-1719)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Catalogue d'étoiles de Flamsteed (édition de 1748)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Flamsteed, précautionneux et pointilleux tarde à publier le résultat de ses observations. Au début du 18ème siècle, le prince Georges du Danemark est prêt à financer l'édition du catalogue de Flamsteed et, de son côté, Newton, à la tête de la Royal Society, accepte qu'une commission de la Compagnie supervise la publication de l'ouvrage. L'auteur des Principia obtient les registres de Flamsteed et, à partir de 1708, confie à Edmond Halley le soin de préparer l'impression du catalogue. Edmond Halley a procédé à quelques remaniements dans les données initiales de Flamsteed. Ce travail de correction et de réécriture mécontente Flamsteed. L'astronome royal reproche en particulier à Halley d'avoir changé l'ordre de sa liste d'étoiles. Il se récrie contre les imprécisions d'Halley dans l'identification des étoiles. Flamsteed annote une version du catalogue de 1712 et le fait parvenir à ses assistants, Sharp et Crosthwait. L'astronome royal décède avant que l'impression de son travail soit achevée et l'Historia Coelestis Britannia, remaniée selon les vues de son auteur, paraît finalement en 1725. Il contient les coordonnées de 2866 étoiles, mais les deux versions de l'ouvrage n'épuisent pas l'ensemble des observations faites par Flamsteed. L'œuvre de l'astronome britannique reste donc, d'une certaine manière, inachevée.


L'abbé Lacaille au Cap

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Nicolas-Louis de La Caille, Journal historique du voyage fait au cap de Bonne-Espérance, 1776.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Lacaille se rend au Cap de Bonne-Espérance en 1751 pour mener une série d'observations, afin de calculer la parallaxe de la Lune. Il travaille conjointement avec Lalande à Berlin, Cassini de Thury à Paris, Wargentin à Stockholm ainsi que Bradley à Greenwich.

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Nicolas-Louis de La Caille, Journal historique du voyage fait au cap de Bonne-Espérance, 1776.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Lacaille profite de son séjour austral pour établir un catalogue d'étoiles. L'ouvrage sera publié en 1763, un an après la mort de Lacaille. C'est Maraldi, son exécuteur testamentaire qui mettra la dernière main au manuscrit. Lacaille possédait une pendule, une lunette 32 pouces qu'il appliquait parallèlement à la lunette fixe d'un quart de cercle de 3 pieds de rayon. Lacaille n'a pas réduit les 9776 étoiles observées ; il ne l'a fait que pour 1942 étoiles. Pour les autres, il a fourni des « tables de réductions, pour qu'on puisse conclure l'ascension droite et la déclinaison pour le commencement de 1750 » (Jean-Baptiste Delambre, Histoire de l'astronomie au dix-huitième siècle, Paris, Bachelier, 1827. p. 528). L'une des particularités du catalogue de Lacaille est qu'il contient un très grand nombre d'étoiles au-delà de la sixième grandeur. L'ouvrage comporte également une liste de 42 « étoiles nébuleuses », selon son expression, parmi lesquelles se trouvent les amas globulaires M 55 et M 69. Lacaille a profité de son séjour sud-africain pour dénommer 14 constellations australes (dont la Machine pneumatique, le Microscope, la Boussole, le Télescope…).


L'Histoire céleste de Lalande

Jérôme Lalande, dont l'œuvre au 18ème siècle, est, dans le domaine de l'astronomie, abondante et protéiforme, a publié, en 1801, une Histoire céleste française rassemblant les observations de près de 50 000 étoiles.

Le point de départ de Lalande est une réflexion sur la fragilité des registres d'observation. Il rappelle que les papiers de Roemer ou d'Angos ont disparu et soutient qu'il est utile de publier toutes les observations.

Lalande reste évasif quant à son implication effective dans le relevé des positions d'étoiles. Son ouvrage renferme des observations de son élève Lepaute d'Agelet et de son neveu Michel Lefrançais Delalande. Ce dernier a en outre été aidé par Burckhardt, arrivé de Gotha. L'Histoire céleste doit, dans l'esprit de son concepteur, servir d'appui aux recherches des comètes. Il souhaite fournir à ceux qui s'intéressent à ses astres « des étoiles dont les positions auraient été difficiles à observer, et qu'on n'aurait pas reconnues (…) » (Jérôme Lalande, Histoire céleste française contenant les observations faites par plusieurs astronomes français, Paris, Imprimerie de la République, an XI, 1801, p. vi). Le répertoire constitué par Lalande contient également ce qu'il appelle des « étoiles changeantes » (Jérôme Lalande, Histoire céleste française contenant les observations faites par plusieurs astronomes français, Paris, Imprimerie de la République, an XI, 1801, p. vii) : il les livre aux astronomes afin qu'ils fassent progresser les connaissances à leur sujet.

Le répertoire stellaire de Lalande est davantage un travail collectif qu'une réalisation individuelle. Il n'est pas rare que la mise au point de catalogues d'étoiles impliquent plusieurs acteurs à différentes époques.


Bradley et Bessel

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Les observations astronomiques de James Bradley à l'Observatoire de Greenwich
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

James Bradley a découvert les phénomènes d'aberration et de nutation qui ont notablement accru la précision des tables astronomiques. Entré à l'observatoire de Greenwich en 1741 pour remplacer Halley, il renouvelle totalement l'arsenal technique de l'institution savante. Bradley obtient aussi une lunette méridienne de 8 pieds et un mural de 8 pieds, il dispose également de deux quarts de cercle de Bird, d'une pendule et du secteur qui lui avait permis de découvrir l'aberration et la nutation. Ce corpus instrumental permet à Bradley de faire de nombreuses observations d'étoiles qu'il n'a pas publiées de son vivant. C'est finalement Charles Mason, qui, en 1722 donne une première édition de son catalogue de 389 étoiles principales. Cependant les registres de Bradley renfermaient encore plus de trois mille observations d'étoiles non réduites.

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Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

L'astronome allemand Friedrich Wilhelm Bessel a effectué ce travail de calcul –dont Delambre assure qu'il fut soigneux et rigoureux- pour 3222 étoiles. La Fundamenta astronomiae apparaît comme une œuvre étonnante, construite en deux temps, par des astronomes différents, le premier (Bradley) ayant fourni les observations et le second (Bessel) s'attachant aux calculs.


Tobias Mayer

Il convient d'évoquer, au 18ème siècle, le travail important de Tobias Mayer, astronome à Gotha. Il disposait d'un quart de cercle mural de 6 pieds de rayon construit par Bird. En 1756, il établit un catalogue de 998 étoiles zodiacales dont l'une des particularités est que l'étoile n° 964 est en fait la planète Uranus, qu'Herschel repère en 1781. Mais Mayer n'aperçut qu'une fois l'astre ce qui ne lui a pas permis de comprendre qu'il s'agissait bien d'une planète.


Giuseppe Piazzi

Au tout début du 19ème siècle, l'astronome sicilien Giuseppe Piazzi publie un catalogue de 7646 étoiles pour l'année 1800. 220 de ces étoiles sont considérées comme des étoiles fondamentales de référence. L'élaboration de cette liste d'étoiles révèle en creux le souci constant d'agir prudemment qui caractérise Piazzi. Nous retrouverons cette attitude précautionneuse de Piazzi lors de sa découverte de Cérès en 1801. C'est avec circonspection que Piazzi envisage la publication de son catalogue. Il écrit à Barnaba Oriani, le 5 août 1803 : « Ils vont penser que je suis fou car j'ai déduit les mouvements propres d'un certain nombre d'étoiles à partir d'observations d'une dizaine d'années seulement ». (Lettre de Giuseppe Piazzi à Barnabi Oriani, le 5 août 1803, citée par Giorgia Fodérà Serio, « Giuseppe Piazzi and the discovery of the proper motion of 61 Cygni », Journal for the history of astronomy, vol. XXI, 1990, pp. 275-276). Le travail de Piazzi est précieux au début du 19ème siècle puisqu'il fit voir que les mouvements propres sont, non l'exception, comme on pouvait le croire, mais la règle.


L'astronomie cométaire d'Halley

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Edmond Halley, Tables astronomiques, Paris, 1759
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Halley s'intéresse une première fois aux comètes en 1680. Il observe la comète de 1680 sur un navire qui l'emmène en France. Il est accueilli par Jean-Dominique Cassini et discute avec lui des observations cométaires. Cassini soumet une idée à Halley : la même comète reviendrait visiter la Terre à des intervalles de temps fort longs. Plus de dix années vont s'écouler avant qu'Halley ne développe cette idée.

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Dessins, par Hevelius de la comète de 1664-1665 (J.H. Hevelius, Prodomus cometicas, 1665)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Comète observée à Hambourg en 1665 (S. de Lubienieski, Theatrum cometicum, 1681)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Comète observé à Magna Brittania (Pays de Galles entre décembre 1664 et janvier 1665 (S. de Lubienieski, Theatrum cometicum, 1681)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Passages de comètes dans l’Antiquité (S. de Lubienieski, Historia Universalis omnium cometarum, 1681)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Halley rassemble toutes les données relatives aux comètes qu'il lui fut possible de trouver. Il étudie les positions mouvantes de deux dizaines de comètes mentionnées par ses prédécesseurs. Il constate que la comète de 1607, observée par Kepler, avait traversé la même région du ciel que celle de 1682 qu'il avait observée lui-même. La comète de 1531 observée par Fracastoro et Apian s'était également déplacée dans cette même région céleste, de même que celle de 1456.

A sa grande surprise, Halley constate que 75 ans s'étaient écoulés entre 1456 et 1531 ; 76 entre 1531 et 1607 ; et 75 entre 1607 et 1682. Il en conclut que les 4 comètes de 1456, 1531, 1607 et 1682 n'étaient en fait qu'un seul et même corps céleste. Celui-ci parcourait une longue ellipse –si longue que le corps céleste n'était visible, vers l'extrémité de son ellipse, que tous les 75 ans ou 76 ans.

Halley annonça que la comète de 1682 réapparaîtrait à la fin de l'année 1758 ou au début de l'année 1759. Elle fut effectivement observée à la fin de l'année 1758 en Allemagne par Johann Palitzsch. Les astronomes recalculèrent son orbite et confirmèrent qu'il s'agissait bien de la comète de 1682 (mais aussi de 1531, 1607).


Les premiers travaux de William Herschel

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William Herschel (1738-1822)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

L'astronomie, avant la période moderne, s'est surtout concentrée sur la connaissance du mouvement des planètes. Les étoiles n'ont pas fait l'objet d'un intérêt particulier. L'adjectif qualificatif « fixes » leur a été systématiquement accolé. L'idée même qu'elles ne puissent pas toutes être à la même distance émerge seulement au 18ème siècle.

William Herschel est né à Hanovre en 1738, dans une famille de musiciens. Il arrive en Angleterre en 1757 et y devient organiste et maître de chapelle. Son intérêt pour l'astronomie surgit à la lecture du livre de Robert Smith, Harmoniques ou la Philosophie des sons musicaux. Sa formation astronomique est autodidacte et guidée, dans le même temps, par le souci d'une instrumentation performante. Il fabrique lui-même ses propres outils d'observation. Les miroirs qu'il construit sont d'une exceptionnelle qualité et dépassent les performances des fabricants professionnels.


Les étoiles doubles d'Herschel

William Herschel aidée par sa sœur Caroline (1750-1848), entame un travail de recension des objets célestes qu'il repère. C'est au cours de ce travail méthodique de relevé qu'il découvre la planète Uranus (nous reviendrons plus loin sur la découverte de cette planète). Il profite de la reconnaissance que lui vaut cette découverte pour demander au roi d'Angleterre, George III, le financement d'un télescope de grande taille (1,2 m).

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Le télescope de William Herschel (W. Herschel, Description of a forty-feet reflecting telescope, 1795)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

William Herschel se fixe un programme scientifique particulièrement ambitieux : il souhaite observer les étoiles doubles en espérant qu'elles lui permettent de déterminer les distances stellaires. En recensant les couples d'étoiles dont les éclats seraient très nettement différents, l'astronome britannique pense que l'étoile la moins lumineuse est à une distance plus proche de la Terre que l'étoile la plus lumineuse. Il espère que l'on pourra détecter un déplacement de l'étoile la plus proche par rapport à la plus éloignée.

Le travail d'Herschel repose sur deux postulats faux :

En janvier 1782, Herschel présente son Catalogue of double stars qui renferme les observations de 269 étoiles doubles. Herschel reprendra ses observations au début du 19ème siècle, et constatera qu'il est possible de déceler, pour ces étoiles doubles, un mouvement de l'un des astres par rapport à l'autre.


Herschel et les nébuleuses

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Charles Messier (1730-1817)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Herschel commence, au début des années 1780, un recensement de nouveaux objets célestes : les nébuleuses, qui sont, à l'époque, tous les objets flous que l'on peut voir avec un télescope. Charles Messier en a publié un catalogue de 103 en 1781.

Herschel ne considère pas que toutes les nébuleuses qu'il examine sont composées d'étoiles. Il distingue notamment les nébuleuses des nuages d'étoiles. Il observe en tout plus de 2500 nébuleuses et est le premier à observer une nébuleuse planétaire en 1791.


L'univers d'Herschel

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Construction de l'univers selon Herschel
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Herschel publie, à partir de 1784, plusieurs articles dans les Philosophical Transactions of the Royal Sociey of London sur la « construction des cieux » (Construction of the heavens).

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Section de notre système sidéral selon Herschel
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les deux premiers articles, édités en 1784 et 1785, font état des espoirs d'Herschel dans les télescopes qu'il emploie, capables d'atteindre les limites de la Galaxie ainsi que dans la méthode qu'il se propose de mettre en œuvre pour mieux connaître la Voie Lactée. Il s'agit des jauges qui constituent un des premiers outils de statistique stellaire. Le principe est de diviser le ciel en petites zones situées à diverses hauteurs, de part et d'autres du plan de la Voie Lactée. Dans ces zones, il fera l'inventaire des étoiles de chaque magnitude. Le résultat de cette prospection stellaire est une cartographie de la Voie Lactée qui a une forme ovale aplatie, avec des limites très irrégulières. Herschel assure qu'il existe deux branches principales dont le nœud serait à la jonction des constellations de Céphée et de Cassiopée. Le système solaire serait précisément dans cette région du ciel.

La méthode des jauges repose sur la même hypothèse erronée que celle employée à propos des étoiles doubles : la magnitude des étoiles est proportionnelle à leur distance.

L'objectif d'Herschel, dans ses premiers articles, est clairement de comprendre et de cartographier la structure de l'univers.

En 1790, l'observation d'une nébuleuse planétaire, instille le doute dans les conceptions d'Herschel et le contraint à revoir son modèle. Les mémoires qu'il publie l'amène progressivement à introduire des nuances puis, finalement, dans les années 1810, à faire le constat d'un échec.


Expéditions et controverses


La forme de la Terre en débat

La question de la forme de la Terre occupe, de la fin du 17ème siècle à la fin du 18ème siècle, une grande part des débats scientifiques.

Le point de départ de cette interrogation est la formulation par Newton, dans ses Principia, de la loi de gravitation.

Les savants avaient noté que la marche des pendules était ralentie à l'approche de l'équateur. L'oscillation des pendules est corrélée à la pesanteur et, d'après Newton, celle-ci est donc moins importante à l'équateur qu'en Europe. On sait que la pesanteur diminue lorsqu'on s'élève en montagne (car on « s'éloigne » du centre de la Terre), par conséquent, la plus faible oscillation du pendule à l'équateur signifie que la Terre est renflée à l'équateur et aplatie aux pôles. Cette proposition choque les cartésiens qui s'appuient sur les mesures géodésiques des Cassini qui avaient remarqué que les degrés du méridien diminuaient vers le nord. La Terre serait donc allongée le long de son axe. La querelle entre cartésiens et newtoniens s'envenime peu à peu et l'Académie des Sciences de Paris devient le point névralgique de l'affrontement.

Pierre-Louis Moreau de Maupertuis est admis à l'Académie des Sciences en 1723 ; fervent partisan de Newton, il rédige, en 1732, un Discours sur les différentes figures des astres dans lequel il défend la position du savant britannique. Les attaques contre Maupertuis sont rudes, mais il reçoit le soutien de Voltaire. Pour trancher entre les deux formes de la Terre, et par là, entre les conceptions cartésienne et newtonienne, l'Académie des Sciences décide d'organiser deux expéditions qui doivent fournir de nouvelles mesures.


Mesurer la Terre au Pérou

Une première expédition est envoyée sur l'équateur pour mesurer l'arc méridien. Les participants sont : Louis Godin (astronome), Pierre Bouguer (astronome et spécialiste d'hydrographie), Charles-Marie de La Condamine (géographe), Joseph Jussieu (botaniste), Hugot (Horloger), Couplet (géographe), Séniergue (chirurgien), Morainville et Godin des Odannais. L'expédition s'organise à partir de Quito au Pérou. L'Espagne, qui domine les territoires traversés par les savants français, exige qu'ils soient accompagnés de deux militaires : Jorge Juan et Antonio de Ulloa. Partie de La Rochelle en avril 1735, la mission aborde les côtes sud-américaines en mars 1736.

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Plan de Quito (La Condamine, Journal du voyage fait par ordre du Roi à l’Equateur, 1751)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

L'expédition se déroule dans des conditions très difficiles : le climat est rude, le terrain difficile, les ennuis financiers nombreux. Les relations entre les savants deviennent très vite délétères. La mission se scinde en deux à partir de 1741.

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Les deux premières bases de la mesure du méridien en Amérique du Sud (La Condamine, Mesures des trois premiers degrés du méridien de l’hémisphère australe, 1751)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Descente en radeau du Maragnon par La Condamine pendant l'expédition du Pérou
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les résultats sont : 56 763 toises pour un degré de méridien selon Bouguer (en 1749), 56 768 toises pour un degré de méridien (en 1748), pour les officiers espagnols et 56 768 toises également pour La Condamine en 1751.


Mesurer la Terre en Laponie

Pendant l'expédition au Pérou, une autre mission s'organise en Laponie. C'est Maupertuis qui propose un voyage en Suède. L'astronome Guillaume Delisle avait produit une carte précise de cette contrée ce qui facilitait le travail de mesure.

L'équipe se compose, outre Maupertuis, de l'abbé Réginald Outhier, des astronomes Pierre-Charles Le Monnier, et Alexis Clairault et du mécanicien Charles-Etienne Camus. L'astronome suédois Celsius participe également à l'expédition.

Les travaux commencent en juin 1736 ; la base est établie près de Tornéa. La triangulation s'effectue en suivant la vallée, mais, à la différence de la mission andine, Maupertuis bénéficie d'un appui actif de l'armée qui permet d'ouvrir le passage. Toutefois, les conditions climatiques (froid rigoureux l'hiver, gel brutal…) sont difficiles. Mais Maupertuis avance très rapidement, et il rentre en France en août 1737.


Le triomphe des newtoniens, défaite des cartésiens

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La Figure de la Terre, Paris, 1738
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le résultat de l'expédition indique que le degré de méridien fait 57 437 toises, ce qui fait 377 toises de plus que le degré mesuré par Picard entre Paris et Amiens (en réalité la mesure de Maupertuis est surestimé de 200 toises environ).

Maupertuis annonce devant l'Académie, avec un art consommé de l'effet de surprise, que la Terre est aplatie aux pôles, ce qui confirme la théorie de Newton.

Les cartésiens ne désarment pas : ils contestent les mesures astronomiques et évoquent l'insuffisance de la chaîne de triangulation.

Des pamphlets anonymes sont échangés et les invectives constituent le seul mode de communication entre Maupertuis et les cartésiens. Celsius, Clairaut et surtout Voltaire prennent la défense de Maupertuis.

Cassini III demande à reprendre la méridienne de ses aïeuls et finit par reconnaître que la Terre est effectivement aplatie aux pôles. C'est la fin du cartésianisme, au moins sur le plan intellectuel, car sur le plan institutionnel, Fontenelle (fervent cartésien) cède sa place de secrétaire perpétuel de l'Académie des Sciences à un autre cartésien, Jean-Jacques Dortous de Mairan. Maupertuis, qui continue de discréditer les Cassini, commet quelques imprudences pamphlétaires et connaît une disgrâce qui le fera exclure de l'Académie en 1745.


Les cosmologies au 18ème siècle

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

introductionIntroduction

De manière simultanée, mais presque indépendante, plusieurs savants du 18ème siècle ont proposé une nouvelle conception de l'univers. Wright, Kant, Lambert et Herschel s'intéressent d'abord aux étoiles de la Voie Lactée et à leur répartition dans l'espace. Après avoir proposé un rapide panorama de la cosmologie à la fin du 17ème siècle et au début du 18ème siècle, nous détaillerons l'ensemble des réflexions sur l'organisation des astres, les structures et l'origine de l'univers qui émergent au siècle des Lumières.


La cosmologie cartésienne et ses conséquences


Descartes et l'organisation du monde

René Descartes propose, notamment dans son Discours de la méthode (1637) et dans ses Principes de la philosophie (1644), une cosmogonie reposant sur l'idée que l'univers est à la fois infini et plein.

La démarche cosmogonique de Descartes repose sur l'idée qu'il peut « parler seulement de ce qui arriverait si Dieu créait maintenant quelque part dans les espaces imaginaires assez de matière pour composer [le monde] et qu'il agitât diversement et sans ordre les diverses parties de cette matière en sorte qu'il en composait un chaos (…) et que par après, il ne fît autre chose que prêter son concours ordinaire à la nature, et laisser agir suivant les lois qu'il a établies » (René Descartes, Discours de la méthode, Ve partie). Le philosophe souhaite donc déduire l'organisation du monde de l'application de quelques principes seulement.


Les tourbillons de Descartes

C'est à partir de ces principes que Descartes conçoit sa théorie des tourbillons. Les particules de terre sont les plus grosses, celles d'air sont moyennes et celles de feu sont petites. Elles s'assemblent en tourbillon : les particules de feu s'agglomèrent au centre (elles sont les plus rapides), ce qui fait que chaque tourbillon contient en son centre une étoile. Les étoiles exercent une pression sur les autres étoiles. Mais elles se recouvrent aussi de matière lourde qui les empêche finalement de briller. Le tourbillon disparaît alors et l'étoile couverte de matière lourde se déplace dans d'autres tourbillons et peut devenir une planète.

Ce modèle cosmogonique peut être considéré comme « évolutionniste » selon le mot de Jean-Pierre Verdet. C'est à dire qu'en observant le monde actuellement, on peut déduire d'un certain nombre de lois simples son état chaotique initial.


La cosmologie (fin 17ème - début 18ème siècle) : entre Descartes et Newton

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Le système du monde selon Fontenelle (1686)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Les tourbillons de Descartes
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

L'influence de Descartes sur la cosmologie de la fin du 17ème siècle est considérable. De nombreux savants vont tenter de concilier les principes cartésiens et l'organisation de l'univers. Fontenelle, en particulier, proposera une constitution mécanique de l'univers qui se veut un prolongement de l'œuvre de Descartes.

Christian Huygens, dans son Discours sur la cause de la pesanteur, paru en 1690, reprend la théorie des tourbillons de Descartes (même s'il se sépare sur l'idée du monde « plein » de Descartes et de la présence de l'éther entre les tourbillons).

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Portrait de Christiaan Huygens
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les thèses cartésiennes, dominantes à la fin du 17ème siècle, entrent en concurrence avec les travaux d'Isaac Newton. Les Principia ne contiennent pas, à proprement parler, de propositions cosmologiques. La portée universelle de certains axiomes, postulats et définitions des Principia de Newton aurait pu permettre d'envisager des développements concernant la structure de l'univers. Or, comme le remarque Jean Seidengart, « par sa structure propre, la science newtonienne est incapable de rendre compte de l'origine et de la fin de l'Univers, puisqu'elle postule d'emblée a parte ante et a parte post ». La mécanique newtonienne ne peut proposer directement une explication de la structure et de l'organisation du système solaire. La stabilité même de l'univers n'est pas clairement expliquée. Newton s'en remettait à Dieu pour maintenir un équilibre général.

« On voit que Celui qui a arrangé cet Univers a mis les étoiles fixes à une distance immense les unes des autres, de peur que ces globes ne tombassent les uns sur les autres par la force de leur gravité ». (Isaac Newton, Principes mathématiques de la philosophie naturelle, T. II, 1759, p. 175).


Une prolifération de cosmologies

Cette intervention divine dans l'édifice newtonien va encourager le foisonnement d'une littérature physico-théologique, au début du 18ème siècle, qui tente de concilier les théories de Newton et la possibilité d'en dégager une cosmologie cohérente dans un ordre divin. Les tentatives de Samuel Clarke, Whiston et Bentley en Angleterre se caractérisent par un recours à Dieu dans la destinée de l'univers.

Dans la première moitié du 18ème siècle, les thèses mécanistes de Descartes sont affaiblies et s'effacent devant les théories de Newton. Toutefois, les interrogations que soulèvent ces dernières dans le domaine cosmologique laissent place à de nouvelles spéculations.


La cosmologie de Wright


Wright et sa Théorie de l'Univers - 1

Thomas Wright (1711-1786) qui dispense des cours de navigation dans le port de Sunderland en Angleterre et donne des conférences devant les membres de la haute société, est l'auteur d'un maître-ouvrage sur la constitution de l'univers. Publié en 1750, il s'intitule On Original Theory or New Hypothesis of the Universe.

L'auteur cherche avant tout à proposer une œuvre pionnière et novatrice. Du point de vue théologique, Wright est d'une grande prudence, puisqu'il explique que la recherche d'autres mondes participe à l' « adoration » du Créateur.

Thomas Wright suppose donc que notre position d'observateur nous fait percevoir deux catégories d'étoiles : celles qui font partie de la Voie Lactée et celles qui sont en dehors. Pour le savant britannique, l'ensemble des astres s'organiserait selon un seul et même plan d'ensemble.


Wright et sa Théorie de l'Univers - 2

Wright rappelle que, concernant la structure de l'univers, les idées les plus ancrées ont dû céder la place à de nouvelles théories. Il évoque ainsi la révolution copernicienne qui a bouleversé l'ordre des planètes et la conception du monde : « La Terre (...) a longtemps été le principal lieu de notre système, et y régnait paisiblement, comme au centre de l'Univers, durant plusieurs époques du passé ; mais c'était une ignorance humaine, et non une sagesse divine, qui la plaçait à cet endroit (...). Maintenant elle n'est plus du tout le seul globe terrestre dans l'Univers (...) ». (Thomas Wright, On Original Theory or New Hypothesis of the Universe, Londres, 1750, p. 130). Par analogie, Thomas Wright souhaite montrer que c'est désormais la place centrale du Soleil qu'il convient de remettre en cause dans l'organisation de l'univers. L'un des arguments de Wright consiste à relativiser notre position d'observateur dans l'univers. Cette dernière nous donne à voir une forme particulière d'organisation du monde, mais ne nous permet pas d'en percevoir l'architecture d'ensemble.

Wright assure que les étoiles sont en mouvement. Il soutient, sans avancer d'argumentation particulière, que ce mouvement ne peut être rectiligne et qu'il est nécessairement circulaire. Comme l'a remarqué Frédéric Chabelot, le cosmologiste anglais semble fasciné par l'esthétique circulaire. Esprit très religieux, Wright considère les formes circulaires et sphériques comme parfaites et harmonieuses.


Wright et sa Théorie de l'Univers - 3

Selon Wright, les étoiles se déplacent donc « suivant des courbes » et il n'existe que deux manières d'envisager le problème.

L'ouvrage de Thomas Wright se termine sur une perspective plus générale concernant l'organisation de l'univers.

Dans la 8e lettre, l'auteur assure que la Voie Lactée comporte soixante millions de mondes planétaires comme le nôtre. Ces « mondes habitables » sont supposés être « d'une nature terrestre » et « occupés par des êtres d'espèces humaines ». Outre cette pluralité des mondes semblables à la Terre, Wright considère, dans sa neuvième et dernière lettre, qu'il existe aussi d'autres systèmes semblables à la Voie Lactée.

On mesure donc à quel point les propositions de Wright constituent une matrice particulièrement féconde des approches cosmologiques.


La cosmologie de Kant


Kant et les « Univers-îles » -1

Le philosophe Emmanuel Kant (1724-1804) a proposé une conception de l'univers très proche de celle de Wright. Il l'expose dans son Histoire générale et théorie du ciel qui paraît en 1755.

La Théorie du ciel, qui est une œuvre de jeunesse, est fortement marquée par la mécanique newtonienne et se fait fort d'en respecter les principes.

Kant ne propose pas, à la différence de Wright, de faire intervenir Dieu dans la structuration de l'univers. Le philosophe allemand ne parle pas explicitement de disque aplati pour décrire les systèmes d'étoiles. Toutefois, en décrivant d'autres Voies Lactées possibles, Emmanuel Kant explique que leur « figure sera circulaire si [leurs] surface[s] se présent[ent] directement à l'œil, et elliptique si [elles sont] vu[es] de côté ». (Emmanuel Kant, Histoire générale de la nature et théorie du ciel, Paris, 1984, p. 94).

La préférence de Kant pour le modèle d'un disque aplati d'étoiles, analogue à la forme du système solaire, s'explique, en partie, par une fidélité revendiquée aux thèses newtoniennes. L'utilisation de l'analogie entre des systèmes de tailles différentes est rendue possible par la portée universelle que doivent receler les lois de la mécanique.

« On peut se représenter le système des étoiles comme un système planétaire énormément agrandi (...). L'aspect du ciel étoilé (...) reproduit en grand ce qu'est notre système planétaire (...). La Voie Lactée est, pour ainsi dire, le zodiaque de ces étoiles nouvelles ». (Emmanuel Kant, Histoire générale de la nature et théorie du ciel, Paris, 1984, pp. 251-253).

Kant conçoit un centre commun autour duquel tournent les étoiles de la Voie Lactée.


Kant et les « Univers-îles » -2

Kant pousse plus loin encore le principe d'analogie. Il l'applique ainsi aux nébuleuses et développe une théorie qui sera connue sous le nom d' « Univers-îles», bien que ce terme appartienne à Alexandre von Humboldt, dans son livre Kosmos, qui paraît au 19ème siècle. A l'époque où Kant rédige sa Théorie du ciel les travaux empiriques concernant les nébuleuses sont relativement rares. Le philosophe de Königsberg précise sa conception des nébuleuses extragalactiques : « L'analogie avec le système d'étoiles dans lequel nous nous trouvons, leur forme qui est précisément comme elle doit être selon notre conception, la faiblesse de la lumière nous oblige à supposer une distance infinie, tout concorde pour que nous considérions ces figures elliptiques comme de tels ordres de mondes et, pour ainsi dire comme des Voies Lactées dont nous venons de développer la constitution ; et, si ces présomptions, dans lesquelles l'analogie et l'observation concourent parfaitement à se soutenir mutuellement, ont autant de dignité que des preuves formelles, on devra tenir pour établie la certitude de ces systèmes ». (Emmanuel Kant, Histoire générale de la nature et théorie du ciel, Paris, 1984, pp. 95-96).

Il convient de remarquer que Kant fonde son argumentation, sur la nature extragalactique des nébuleuses sur le fait que ce sont des objets faiblement lumineux, et qu'il n'est pas possible d'y distinguer les sources ponctuelles de lumière que sont les étoiles les composant.


Kant et les « Univers-îles » -3

Emmanuel Kant ne se contente pas de proposer un mode d'organisation de l'univers, mais il détaille une mécanique et une cosmogonie en s'appuyant sur les principes de Newton. Nous avons vu précédemment que l'une des faiblesses des Principia réside dans le recours à l'action divine pour expliquer la stabilité de l'univers. Le philosophe de Königsberg faisait ainsi remarquer que « Newton ne pouvait (…) attester aucune cause matérielle qui pût par son extension dans l'espace du système planétaire entretenir la communauté des mouvements. Il affirmait que la main immédiate de Dieu avait réalisé cet ordre sans l'application des forces de la nature ». (Emmanuel Kant, Histoire générale de la nature et théorie du ciel, Paris, 1984, p. 100). Kant se distingue très clairement du savant britannique sur ce point et cherche au contraire à ne recourir qu'aux corpus de lois mécaniques des Principia.

Le principe analogique qui préside à l'explication kantienne de la structuration du monde s'applique aussi à sa cosmogonie. Le souci d'exposer une théorie unitaire et simple renforce ce choix d'une explication analogique à l'origine de l'univers.

Le début de l'univers commence, pour le philosophe de Königsberg, après l'instant de création initiale divine. Kant sépare nettement la physique et la théologie, puisque cet épisode est de l'ordre de la Révélation. La première phase dans la cosmogonie de l'auteur de la Théorie du ciel est le chaos. C'est lui qui succède directement au néant. Il se caractérise par un état de la matière en décomposition et au repos. Deux mouvements doivent alors intervenir pour que l'univers se structure : un mouvement de condensation de la matière d'une part, et un mouvement de rotation d'autre part.

Pour expliquer ces deux mouvements sans l'intervention divine, Kant s'appuie sur le fait que la matière cosmique n'est pas répartie uniformément dans cet état de repos initial. Les éléments primitifs n'ont pas la même densité au départ. Cette différence de densité se conjugue aux forces d'attraction et de répulsion propres à la matière pour mettre en œuvre les mouvements de condensation et de rotation.


Kant et les « Univers-îles » -4

L'un des aspects les plus intéressants de la dynamique cosmologique kantienne réside dans l'existence d'un centre unique dans un univers infini. Kant estime que le commencement de l'univers (le passage de l'état de repos au mouvement de la matière) se fait à partir d'un certain point de l'univers.

Il convient de noter que Kant conçoit l'univers comme poursuivant indéfiniment sa formation.

Les conceptions cosmologiques et cosmogoniques de Kant peuvent ainsi être résumées :


La cosmologie de Lambert


Lettres cosmologiques de Lambert

Johann-Heinrich Lambert est un mathématicien, physicien et astronome autodidacte de Mulhouse.Lambert a consacré une partie importante de son travail aux comètes, notamment dans ses Cosmologische Briefe, initialement édité en 1761 et publié en français en 1802, dans une traduction de l'astronome toulousain Antoine Darquier. L'ouvrage est largement ignoré par la communauté astronomique.


L' « habitabilité » de l'Univers

Le point de départ des réflexions cosmologiques de Lambert porte sur la notion d'« habitabilité » de l'univers. Il s'agit d'une idée très répandue au 18ème siècle. Les lettres I à VIII traitent en grande partie de cette question. Les comètes fournissent à Lambert un point de départ pour ses réflexions.

Dans la cinquième lettre Lambert estime à « cinq millions » le nombre de comètes, dont « le périhélie est renfermé dans l'orbe de Saturne ». Lambert applique le principe téléologique selon lequel, l'univers étant le plus parfait possible, il doit être totalement rempli. Lambert en vient plus directement à cette notion d' «habitabilité » de l'univers qui constitue le point central de son propos dans les huit premières lettres de son ouvrage. Il propose donc de considérer les planètes et les comètes comme potentiellement habitées.


Structuration de l'univers chez Lambert

Dans les lettres IX à XX, Johann-Heinrich Lambert poursuit ses réflexions spéculatives en proposant un mode d'organisation et de structuration de l'univers. Rallié à l'héliocentrisme, le savant mulhousien considère que « Copernic (…) nous apprit, pour ainsi dire, à connoître les premiers caractères de l'alphabet de la langue astronomique ».

Toutefois, Lambert ne souhaite pas se contenter, comme l'a fait le savant polonais, de troubler le seul repos de la Terre en la mettant en mouvement autour du Soleil. Il soutient fermement que « rien dans l'univers n'est dans un repos absolu ».

Copernic a placé le soleil au centre du système. Lambert lui, suppose trois mouvements au soleil :

De manière générale, ce sont toutes les étoiles qui sont mises en mouvement dans la théorie de Lambert.

Lambert considère la Voie Lactée non pas comme une concentration d'étoiles serrées, mais au contraire comme un ensemble d'étoiles très éloignées les unes des autres, mais que notre position d'observateur terrestre nous fait voir comme rapprochées. La description qu'il fait de la forme de la Voie Lactée est peu claire, mais elle laisse à penser qu'il l'imagine sous la forme d'un disque aplati.

On perçoit dès lors comment Lambert imagine l'univers hiérarchisé en systèmes : système des fixes, systèmes des voies lactées... Chaque système a un centre exerçant une force gravitationnelle. L'ensemble des systèmes s'organise autour d'un centre unique


Proximité et divergence avec les thèses de Kant

La théorie de Johann-Heinrich Lambert se rapproche de celle de Kant dans cette construction hiérarchisée de l'univers ainsi que dans l'utilisation fréquente de l'analogie. En revanche les conceptions du savant mulhousien et du philosophe de Königsberg diffèrent sur deux points essentiels. D'abord Lambert ne propose pas de cosmogonie, son modèle est strictement statique. Enfin Lambert imagine un univers fini, alors que pour Kant il est infini.


La cosmogonie de Laplace


Hypothèse cosmogonique de Laplace

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Exposition du système du monde de Laplace, édition de 1819
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Pierre Simon Laplace propose dans son Exposition du système du monde (1796), une œuvre mathématique conçue comme une application de la dynamique newtonienne à l'organisation du cosmos. Le savant français formule une hypothèse cosmogonique qui doit permettre de rendre compte de la stabilité du système solaire.

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Pierre Simon de Laplace, Mécanique céleste (édition américaine de 1829)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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Pierre-Simon de Laplace, Exposition du système du monde, 1824.
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Il s'écarte des réflexions kantiennes en proposant une théorie relative au seul système solaire. De plus, le système qu'il décrit est initialement en rotation, alors que le philosophe de Königsberg avait tenté d'expliquer comment un système initialement au repos avait pu –sans intervention divine- se mettre en mouvement. 

Laplace fait tout d'abord une série de constats :


La formation des planètes chez Laplace

A partir de ces phénomènes, Laplace cherche la cause permettant d'expliquer la forme même du système solaire :

« Quelle que soit sa nature, puisqu'elle a produit ou dirigé les mouvements des planètes, il faut qu'elle ait embrassé tous ces corps ; et vu la distance prodigieuse qui les sépare, elle ne peut avoir été qu'un fluide d'une immense étendue. Pour leur avoir donné dans le même sens, un mouvement presque circulaire autour du soleil ; il faut que ce fluide ait environné cet astre, comme une atmosphère. La considération des mouvements planétaires nous conduit donc à penser qu'en vertu d'une chaleur excessive, l'atmosphère du soleil s'est primitivement étendue au-delà des orbes de toutes les planètes, et qu'elle s'est resserrée successivement, jusqu'à ses limites actuelles ». (Pierre Simon Laplace, Exposition du système du monde, Paris, Fayard, 1984, p. 566).

Dans la suite de son exposé, Laplace revient sur la formation des planètes. Il suggère d'abord que l'atmosphère du proto-soleil ne peut s'étendre à l'infini. La limite se situe au point où « la force centrifuge due à son mouvement de rotation balance la pesanteur ». Le refroidissement progressif entraîne une augmentation de la vitesse de rotation en même temps qu'il entraîne l'abandon, aux limites initiales de l'atmosphère, des molécules qui s'y trouvaient. Les planètes se forment ainsi à ces limites successives, par la condensation des molécules abandonnées.


D'Uranus à Neptune

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

introductionIntroduction

La fin du 18ème siècle et la première moitié du 19ème siècle sont marquées par une exceptionnelle moisson de découvertes au cœur même du système : Uranus, les astéroïdes, Neptune enrichissent l'inventaire planétaire.


Uranus


Herschel et la découverte d'Uranus

William Herschel est guidé, dans toutes ses recherches, par le souci d'une instrumentation performante. Il fabrique lui-même ses propres outils d'observation. Les miroirs qu'il construit sont d'une exceptionnelle qualité et dépassent les performances des fabricants professionnels. William Herschel aidée par sa sœur Caroline (1750-1848), entame un travail de recension des objets célestes qu'il repère. Il souhaite connaître et mettre en évidence la structure de l'Univers.

En 1778, il construit un télescope de dimension modeste, avec un miroir de 17 cm de diamètre. Au cours de sa recension des objets célestes, il observe, le 13 mars 1781, dans la constellation des Gémeaux, un astre dont l'éclat attire son attention. Il explique dans son compte rendu avoir découvert une comète. Plusieurs astronomes doutent de la nature cométaire de l'astre découvert par Herschel. Finalement, c'est l'astronome finnois Anders Johann Lexell, travaillant à l'observatoire de Saint-Pétersbourg qui reprend l'ensemble des caractéristiques de l'astre (mouvement, aspects…). Il conclut qu'il s'agit d'une planète et détermine son orbite.


Dénommer la nouvelle planète

La dénomination de la nouvelle planète relève d'un long processus. Herschel songe d'abord à l'appeler « Georgium Sidus », en l'honneur du roi Georges III alors sur le trône. Mais plusieurs astronomes critiquent l'ambiguïté du terme Sidus qui peut faire penser qu'il s'agit d'une étoile. C'est Johann Bode, éditeur du Berliner Astronomisches Jahrbuch qui centralise les propositions onomastiques. Le professeur Erik Prosperin (1739-1803) d'Uppsala propose Neptune. Le nom de Minerve est proposé ; ceux de Cybele (déesse phrygienne de la Terre) et Athéna, (déesse de la sagesse) également. C'est Bode lui-même qui fait la proposition la plus logique. Il remarque que si la nouvelle planète s'appelait Uranus, le système solaire serait en parfaite cohérence avec le panthéon mythologique. Uranus (Ouranos) est le dieu du ciel, et le mari de Gaia (la Terre). Il est le père de Saturne et le grand-père de Jupiter.


La quête des astéroïdes


La loi de Titius Bode

Titius (Johann Tietz, 1729-1796) est professeur de mathématiques à Wittenberg. Il traduit, en 1766, l'ouvrage de Charles Bonnet, Contemplation de la Nature. Ce dernier avait noté que les distances des planètes au soleil formaient une suite numérique fondée sur une progression arithmétique. Ainsi, si l'on divise en cent unités la distance du soleil à Saturne, Mercure se situe à 4 unités du soleil, Vénus est à 7 (4+3), la Terre à 10 (4+6), puis Mars à 16 (4+12), Jupiter à 52 (4+48) et Saturne à 96 (4+96). Dans cette progression, il n'y a pas de planète pour la distance de 28 unités (4+24). L'astronome allemand Johann Bode (1747-1826) suggère qu'il manque une planète entre Mars et Jupiter. L'explication actuelle repose sur l'idée que la forme de progression arithmétique de la loi de Titius-Bode est présente dans tout système à symétrie axiale.


Les travaux de von Zach

La découverte d'Uranus semblait confirmer la loi de Titius-Bode, puisque la planète découverte par Herschel se situait à une distance de 200 unités soit 4+192 (si l'on prend 100 unités pour la distance soleil-Saturne). Cette confirmation de la progression mise en évidence par Bode, contrastait avec l'absence de planète entre Mars et Jupiter. Les astronomes allemands en particulier s'intéressèrent longuement à ce problème. C'est notamment le cas de Franz Xaver von Zach (1753-1832) qui dirige l'observatoire du Duc Ernest II à Gotha. L'objectif de von Zach est de disposer d'un catalogue très précis d'étoiles zodiacales, afin de trouver la planète manquante entre Mars et Jupiter.


Une recherche collective ?

Très vite, l'astronome de Gotha comprend qu'il lui sera impossible de mener ce projet à bien tout seul. En 1800, il visite plusieurs observatoires allemands à Celle, Brême, Lilienthal. Il propose aux savants qui travaillent dans ces établissements, notamment Ferdinand Adolf Freiherr von Ende (1760-1817), Heinrich Wilhem Mathias Olbers (1753-1837) et Johann Hieronimus Schoeter (1745-1816), de fonder une société, qui aurait pour ambition une révision précise des catalogues d'étoiles zodiacale, l'objectif final restant de trouver la planète entre Mars et Jupiter. La Société (Vereingte Astronomische Gesellschaft) est créée à Lilienthal en septembre 1800. Les astronomes se partagent le ciel et chaque astronome s'engage à reprendre, pour la zone qui lui échoit, la position des étoiles. Des observateurs de toute l'Europe sont invités à prendre part au programme de recherche : Thulis à Marseille, Bode à Berlin, Messier à Paris, Schubert à Saint-Pétersbourg, Svanberg à Uppsala.


La découverte de Cérès

L'astronome Giuseppe Piazzi de Palerme devait être contacté par von Zach, mais il ne l'a pas été. Pourtant c'est lui qui, le 1er janvier 1801 découvre ce qu'il croit d'abord être une comète et qui s'avéra être une planète.

La découverte de ce que Piazzi croit être une comète est annoncée dans les journaux locaux et étrangers. Les astronomes européens apprennent cette découverte par cette voie, bien avant que Piazzi ne les prévienne directement.

L'astronome sicilien se résout à donner un nom à l'astre. Il souhaite qu'il soit appelé Cerere Ferdinandea. Il s'agit d'un double hommage à la Sicile, puisque le nouvel astre est associé au nom du roi de Sicile et à celui de Cérès, déesse du blé et de l'agriculture, protectrice de l'île : « (...) je lui maintiendrai toujours le nom de Cerere Ferdinandea, parce que je ne veux pas, en lui changeant de nom être taché d'ingratitude envers la Sicile et son Souverain, qui met tant de zèle pour protéger les sciences et les arts... Ce n'est pas de la flatterie mais un juste et convenable hommage ». (Lettre de Giuseppe Piazzi à Barnaba Oriani, 1801).

A la fin de l'été 1801, les astronomes européens cherchent à observer Cérès de nouveau afin de confirmer sa trajectoire, qui indiquerait définitivement son caractère planétaire. Carl Friedrich Gauss (1777-1855), alors jeune mathématicien, cherche précisément, à ce moment là à résoudre la question du calcul des orbites planétaires. Il trouve, dans le cas de Cérès, un moyen de vérifier et de tester sa méthode. Gauss envoie le résultat de ses calculs à von Zach, puis à Oriani, Piazzi et Lalande. Finalement, grâce aux éléments de Gauss, von Zach est le premier à apercevoir Cérès le 1er janvier 1802.


Pallas

Les astronomes pensaient alors avoir trouvé la planète manquante entre Mars et Jupiter. Toutefois, la découverte d'une nouvelle planète dans cette région du système solaire fit chanceler cette certitude. En mars 1802, alors qu'il prépare les observations ultérieures de Cérès, Olbers observe un astre mobile dans la constellation de la Vierge. Gauss confirme rapidement qu'il s'agit bien d'une nouvelle planète. Il la nomme Pallas, qui est l'épithète rituelle de la déesse Athena (déesse de la Pensée, des Arts et des Sciences).


L'intuition d'Herschel

William Herschel a alors une formidable intuition. Il s'efforce de montrer que les astres découverts par Piazzi et Olbers ne sont ni des planètes ni des comètes, mais qu'ils appartiennent à une nouvelle catégorie d'objets célestes.

« J'ai déduit les distances de ces deux nouveaux astres à la Terre à partir des éléments de leurs orbites calculés par le Dr Gauss, et je suis près d'être convaincu qu'il s'agit de corps extrêmement petits. J'examine ensuite la nature de ces deux astres et je les compare aux planètes et aux comètes. J'ai défini ce que nous appelons planètes et j'ai montré qu'on ne peut les placer dans cette catégorie : non seulement elles ne sont pas dans le zodiaque, mais Mercure, la plus petite de nos planètes est cent mille fois plus grosse que Pallas. J'ai montré aussi, précédemment, qu'elles ne sont pas des comètes (...). Ces nouvelles étoiles sont mêlées aux petites étoiles fixes du ciel, et elles leur ressemblent tant que, même avec un bon télescope on ne peut les différencier. J'ai choisi un nom à cause de cette ressemblance avec les étoiles et j'appelle Astéroïdes ces nouveaux objets célestes. De la sorte, les planètes, les astéroïdes et les comètes formeront trois groupes distincts de corps célestes ». (William Herschel, Corrispondenza Astronomica fra Giuseppe Piazzi e Barnana Oriani, Pubblicazioni del R. Osservatorio di Brera in Milano, T. VI, Hoepli, 1874, p. 62).


Les caractéristiques des astéroïdes

Herschel définit les caractéristiques des astéroïdes :

Piazzi reste perplexe quant à cette nouvelle catégorie d'astres. Oriani est lui aussi sceptique : « Les idées de Herschel sur les deux nouvelles planètes sont bizarres. Aucun astronome ne les partage, et Zach dans son journal les a rejetées ». (Corrispondenza Astronomica fra Giuseppe Piazzi e Barnana Oriani, Pubblicazioni del R. Osservatorio di Brera in Milano, T. VI, Hoepli, 1874, p. 63).

Pourtant, cette intuition d'Herschel s'avérera exacte et permettra l'émergence d'un champ de recherche important en astronomie au 19ème siècle : la recherche des astéroïdes


La recherche des astéroïdes -1

L'astronome allemand Karl Ludwig Harding (1765-1834) travaille, au début du 19ème siècle, à la construction d'un catalogue d'étoiles. Son ouvrage Atlas novus coelestis paraît en 1822. En réalisant cette œuvre, il découvre, le 1er septembre 1803, une nouvelle planète dans la constellation des Poissons. C'est Gauss, une nouvelle fois, qui confirme en établissant sa trajectoire qu'il s'agit bien d'une planète. Harding la nomme Junon.

Olbers, apprenant l'existence d'une troisième planète entre Mars et Jupiter propose alors une hypothèse audacieuse. Pour lui ces objets célestes ne sont que les fragments d'une planète plus important détruite par une catastrophe. L'astronome allemand assure qu'il est possible de retrouver d'autres éléments de cette planète. Il mobilise les lois de la mécanique céleste pour retrouver la trajectoire de cet astre détruit, car les débris doivent repasser par le point où s'est produit la dislocation. Il assure que c'est près de δ de la Vierge et dans la partie ouest de la constellation de la Baleine que se trouvent d'autres morceaux de la planète initiale.

Olbers cherche lui-même dans la zone qu'il a circonscrite et y découvre une nouvelle planète le 29 mars 1807. Gauss donne les caractéristiques de la planète : son demi grand axe est beaucoup plus petit que celui des trois autres planètes. L'hypothèse d'Olbers semble dès lors moins assurée. Gauss donne le nom de Vesta à la planète découverte par Olbers, ce dernier approuve ce choix. (Vesta, dans la mythologie romaine est la déesse du foyer domestique).


La recherche des astéroïdes -2

Les astronomes se remettent en quête d'autres fragments de la planète initiale, mais pendant trente huit ans ne trouvent rien.

Ce sont les efforts faits pour obtenir des cartes célestes d'une plus grande précision, ainsi que les tentatives d'observation des étoiles les plus faibles qui vont pousser les observatoires comme celui de Berlin à faire des explorations poussées.

Malgré tout, c'est un observateur isolé, Karl Ludwig Hencke (1793-1866) maître de poste à Dresde, en Prusse, et astronome amateur qui découvre un nouvel astéroïde en décembre 1845. Le directeur de l'observatoire de Berlin, Johann Encke (1791-1865) lui donne le nom d'Astrée.

A partir de cette époque, les découvertes d'astéroïdes se multiplient. John Hind (1823-1895) astronome britannique découvre ainsi, entre 1847 et 1854, Iris, Flore, Victoria, Irène, Melpomène, Fortuna, Calliope, Thalie, Euterpe et Uranie.

De 1860 à 1880, les découvertes d'astéroïdes sont de plus en plus nombreuses. En 1880 on en connaissait 219.

Dans cette période certains astronomes deviennent de véritables chasseurs d'astéroïdes. C'est notamment le cas de Johann Palisa (1848-1925), astronome autrichien, passé de Pola à Vienne, qui découvre à lui seul 122 astéroïdes entre 1874 et 1922.

De 1881 à 1900, le nombre de découvertes est moindre. En 1900, il y a 302 astéroïdes connus. Pendant cette période, l'astronome niçois Auguste Charlois (1864-1910) découvre 99 astéroïdes de 1887 à 1904.

L'introduction de la photographie dans la recherche des astéroïdes est fortuite, mais elle permet par la suite un nouveau mode de découverte beaucoup plus efficace.

A la fin de l'année 1910, les astronomes avaient une liste de 707 astéroïdes repérés.


Neptune


L'infortune d'Adams

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Leverrier
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Assez rapidement les premières tables d'Uranus sont en désaccord avec les observations.

A ce stade, les astronomes envisagent deux hypothèses : soit la loi de Newton n'est pas rigoureuse pour certains corps plus éloignés, soit il existe une masse inconnue qui perturbe le mouvement d'Uranus. C'est cette seconde possibilité qui mobilise deux savants, l'un anglais, l'autre français : John Couch Adams et Urbain Leverrier. Ils parviendront tout les deux à résoudre le problème des perturbations affectant la trajectoire d'Uranus, mais c'est Leverrier qui publiera le premier ses résultats et permettra l'observation du nouvel astre.

Adams travaille d'abord à définir avec la plus grande précision possible les perturbations d'Uranus, puis à déterminer les éléments et la masse d'un hypothétique corps perturbateur.

En septembre 1845, l'astronome anglais a fini de calculer les éléments et la position d'une nouvelle planète. Il fait parvenir ses travaux à James Challis, professeur d'astronomie à l'Université de Cambridge et propose d'aller les exposer lui-même à George Airy, astronome royal à l'Observatoire de Greenwich. Adams ne parvient pas à entrer en contact avec Airy, qui séjourne alors en France. De son côté, Challis ne saisit pas les allusions d'Adams et ne fait pas rechercher l'hypothétique planète. Il s'expliquera par la suite sur son peu d'entrain à commencer des observations.

En fait, la réception des travaux d'Adams par Airy est assez négative et s'explique surtout par ses a priori négatifs à l'endroit des recherches théoriques. Ce rejet des travaux rhétoriques se double d'une méfiance à l'égard des scientifiques les plus jeunes. Airy n'a aucune confiance dans l'habileté de ses jeunes assistants et fait systématiquement en sorte qu'ils ne puissent faire montre de leurs capacités.


Les recherches de Leverrier

Pendant ce temps, en France, Urbain Leverrier a réussi à publier ses résultats. En 1845, il lit, à l'Académie des sciences, un mémoire dans lequel il présente les calculs précisant les perturbations d'Uranus. Il conclut très clairement que ces perturbations doivent être attribuées à une cause extérieure. Il poursuit ses investigations et, en 1846, publie un nouveau mémoire Il fait la liste de toutes les hypothèses émises sur cette cause perturbatrice de la trajectoire d'Uranus : « On parla d'un gros satellite qui accompagnerait Uranus, ou bien d'une planète encore inconnue, dont la force perturbatrice devrait être prise en considération ; on alla même jusqu'à supposer qu'à cette énorme distance du Soleil, la loi de la gravitation pourrait perdre quelque chose de sa rigueur. Enfin, une comète n'aurait-elle pu troubler brusquement Uranus dans sa marche ». (Urbain Leverrier, « Recherches sur les mouvements d'Uranus », Compte rendu à l'Académie des Sciences, T. XII, 1846, p. 907).

Urbain Leverrier examine toutes ces hypothèses. Il commence par réfuter celle concernant l'insuffisance des lois de la gravitation. Leverrier rejette également les hypothèses du satellite d'Uranus (qui affecterait la marche d'Uranus sur des périodes très courtes) et de la comète (on ne détecte pas, dans les observations rassemblées depuis la découverte d'Uranus, de changement brusque qui pourrait être le signe d'une influence cométaire).


Une hypothèse fructueuse

Finalement, Urbain Leverrier ne retient que l'hypothèse d'une planète inconnue :

« Il ne nous reste ainsi d'autre hypothèse à essayer que celle d'un corps agissant d'une manière continue sur Uranus, changeant son mouvement d'une manière très lente. Ce corps, d'après ce que nous connaissons de la constitution de notre système solaire, ne saurait être qu'une planète, encore ignorée ». (Urbain Leverrier, « Recherches sur les mouvements d'Uranus », Compte rendu à l'Académie des Sciences, T. XII, 1846, p. 914).

Il montre que cette planète ne peut se situer qu'au-delà d'Uranus et fait l'hypothèse qu'elle se situe dans le plan de l'écliptique (car les anomalies d'Uranus sont négligeables en latitude) à une distance moyenne double de celle d'Uranus.

Enfin, en août 1846, Leverrier donne à l'Académie des sciences un ultime mémoire dans lequel il donne les éléments et la position de la nouvelle planète.


Neptune au bout de la plume

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Caricatures représentant la découverte de Neptune par Leverrier
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le 23 septembre 1846, Urbain Leverrier envoie une lettre à Johann Galle, astronome à Berlin. « Je voudrais obtenir d'un infatigable observateur qu'il veuille bien se consacrer quelques instants à l'examen d'une région du Ciel, où il peut rester une planète à découvrir. C'est la théorie d'Uranus qui m'a conduit à ce résultat (…). Vous verrez, Monsieur, que je démontre qu'on ne peut satisfaire aux observations d'Uranus qu'en introduisant l'action d'une nouvelle Planète, jusqu'ici inconnue ». (Lettre d'Urbain Leverrier à John Galle, 18 septembre 1846 citée un T.J.J. See, « Leverrier's letter to Galle and the discovery of Neptune », Popular Astronomy, vol. XVIII, 1910, pp. 475-476).

Galle, le soir même observe, avec l'aide d'un jeune étudiant Henri d'Arrest, la zone indiquée par Leverrier. D'Arrest suggère d'utiliser le Berliner Akademsche Sternkarten, mis à jour en 1846. Les deux hommes trouvent finalement la nouvelle planète.


Quel nom pour la nouvelle planète ?

Le 25 septembre Galle envoie un courrier à Leverrier en lui indiquant que la planète dont il indiquait la position existe réellement. Il en profite pour proposer le nom de Janus pour ce nouvel astre. Leverrier le remercie dans une missive du 1er octobre 1846 et lui signale que le Bureau des Longitudes a choisi le nom de Neptune. Il ajoute que la dénomination Janus aurait laissé à penser que cette planète était la dernière du système solaire, ce que rien n'indique. Ici Leverrier fait une erreur. Il confond Janus, qui est le dieu à double face (il regarde devant et il regarde derrière, qui ouvre et qui ferme) avec le dieu Terminus (qui est un dieu étrusque dévoué aux frontières, aux limites).

Nous ne savons pas pourquoi le Bureau des Longitudes a donné le nom de Neptune à cette planète. Peut-être est-ce sur la proposition de Leverrier lui-même. Neptune est la transposition romaine du dieu grec Poséidon, dieu de la Mer. Poséidon est le fils de Cronos et le frère de Jupiter.

Mais entre le 1er et le 5 octobre 1846, Leverrier se ravise et indique finalement qu'il souhaite que le nouveau corps céleste porte son nom. Arago se plie à cette exigence.


Neptune ou la cohérence mythologique

L'argument nationaliste vient contrecarrer un début de querelle sur la paternité de la découverte de Neptune entre la France et l'Angleterre. Les travaux d'Adams sont antérieurs à ceux de Leverrier, mais ils n'ont pas fait l'objet de publication et encore moins de vérification par l'observation.

L'idée de débaptiser Uranus pour lui donner le nom de son découvreur, et ainsi justifier l'appellation Leverrier est reprise par Leverrier lui-même qui tente d'imposer cette nouvelle onomastique.

Il intitule ainsi, en 1846, un mémoire pour la Connaissance des Temps, intitulé « Recherches sur le mouvement de la planète Herschel (dite Uranus) », Connaissance des temps pour l'année 1849, Addition, 1846, pp. 3-254.

Les astronomes européens, notamment Galle, Encke, ou Gauss préfèrent le terme de Neptune qui ne rompt pas la cohérence mythologique de l'onomastique planétaire et qui conserve une certaine neutralité. C'est le finalement le nom de Neptune qui s'imposera.

Une querelle éclate à propos du heureux « hasard » qui aurait permis à Leverrier de trouver Neptune. L'astronome parisien avait en effet fait le calcul que le corps perturbateur devait être deux fois plus éloigné du Soleil qu'Uranus soit 38 U.A. En fait elle n'en est éloignée que de 30,11 U.A. Leverrier a de plus attribué à Neptune une masse de 32 fois celle de la Terre. Or elle n'est que 17 fois celle de la Terre. Il se trouve que l'erreur sur la masse compense l'erreur sur la distance.


L'astronomie au 19ème siècle

Auteur: Jérôme Lamy

Introduction

introductionIntroduction

Les innovations techniques orientant la recherche astronomique du 19ème siècle vers un renouvellement complet des observations. Les débuts de la spectroscopie annoncent l'avènement d'une nouvelle discipline, l'astrophysique. La photométrie et la photographie vont contribuer au renouvellement des méthodes d'investigation. La Carte du ciel, véritable point d'orgue de l'astronomie du 19ème siècle apparaît comme une tentative (vaine) de lier un projet classique (l'astrométrie) à une technologie nouvelle (la photographie).


Aux origines de la spectroscopie


Fraunhofer et Talbot

En 1802, le savant britannique William H Wollaston remarque, examinant le spectre d'un faisceau de lumière solaire admis par une fente, qu'il y avait sept raies sombres. En 1814, Joseph Fraunhofer conçoit un spectroscope en utilisant un théodolite sur lequel il place un prisme très pur. L'opticien bavarois observe la dispersion de la lumière du soleil et obtient 476 raies sombres. Il repère la place de ces raies et obtient ainsi la première carte du spectre solaire. Fraunhofer examine également les spectres planétaires et constate qu'ils sont strictement identiques à ceux du soleil. Il en conclut, très justement, que cela confirme la réflexion de la lumière solaire par les planètes. Le savant allemand examine le spectre de Sirius et remarque qu'il possède trois raies sombres, qui pour lui n'ont aucune ressemblance avec celles du soleil. Les premières explications théoriques sur ce phénomène sont fournies par le chimiste britannique Henry Fox Talbot qui, en 1834, explique que l'on peut distinguer les substances chimiques par l'analyse de leur spectre respectif :

« Il pourrait être admis que lorsque le prisme montre qu'une raie homogène d'une couleur quelconque est produite dans une flamme, cette raie indique la formation ou la présence d'un composé chimique ». (Henry Fox Talbot, Expériences sur la lumière, 1834, cité par Michel Rival, Les grandes expériences scientifiques, Paris, Le Seuil, 1996, p. 101).

Il existerait donc une relation directe entre les spectres et la composition chimique du corps lumineux.


Les expériences de Bunsen et Kirchhoff

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Cinquante ans après Bunsen et Kirchhoff. Eclipse totale de soleil du 30 août 1905 : photographies de spectres et détails de la raie verte
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Les expériences cruciales en ce qui concerne ce lien entre spectre et composition chimique sont menées en 1859 par Robert Bunsen (1811-1899) et Gustav Kirchhoff (1817-1887) à Heidelberg. Ils s'intéressent à un couple de raies sombres dans le spectre solaire, qui avaient été découvertes par Fraunhofer, baptisées raies D. Elles coïncident avec la double raie caractérisant le sodium. Bunsen et Kirchhoff placent devant la fente d'admission de la lumière du soleil une flamme contenant du sodium. Ils sont persuadés que les doubles raies brillantes du sodium vont rendre encore plus brillantes celles du spectre du soleil, suivant le principe d'addition des lumières. Le résultat de l'expérience est exactement inverse : les raies du spectre solaire sont plus sombres.

Kirchhoff comprend alors que le sodium de la flamme a absorbé une émission de sodium en provenance du rayonnement solaire, d'où le plus fort obscurcissement des doubles raies D. Le savant d'Heidelberg assure qu'il faut distinguer entre spectre d'émission et spectre d'absorption : on observe à l'emplacement de la raie D une raie sombre (d'absorption) si la température de la flamme est basse, ou une raie brillante (d'émission) si la température de la flamme est élevée. Il est alors possible d'expliquer les raies spectrales du soleil : l'enveloppe atmosphérique de l'astre est plus froide que la surface d'émission, elle absorbe donc les radiations des éléments qui la composent (notamment le sodium).


Premiers spectres

Kirchhoff compare le spectre du soleil avec le spectre des éléments qui sont présents sur Terre. Il montre ainsi que le sodium, le calcium, le baryum, le nickel, le magnésium, le fer et le cuivre existent dans l'atmosphère solaire. Il parvient à identifier 463 raies sur les 476. Les 13 autres raies correspondent en fait à l'hélium, qui sera découvert indépendamment par Jules Janssen et Norman Lockyer en 1868.

Il s'agit là d'une découverte dont la portée dépasse le cadre de la seule astronomie ; la physique connaît alors une mutation majeure dans ses questionnements.

Il est possible de reconnaître dans le spectre des étoiles les éléments chimiques présents sur Terre, ce qui montre leur caractère universel.

Des améliorations techniques permettent de simplifier les modes opératoires :


Les recherches de Secchi

Après les travaux de Kirchhoff et de Bunsen, les astronomes étudient les raies d'émission des éléments simples et cherchent à les repérer dans les spectres astronomiques.

En 1863, William Huggins et William Allen Miller (1817-1870) décelaient une douzaine d'éléments dans les spectres de Bételgeuse et Aldébaran.

Angelo Secchi (1818-1878), directeur de l'observatoire du Collège Romain, propose en 1867 une possible classification des spectres en trois types, en tenant compte, de la présence ou de l'intensité de certains groupes de raies. Secchi montre que cette classification ne relevait pas du hasard, mais chacune des classes qu'il avait définies regroupe en fait des étoiles de température voisine.


Les avancées de Pickering et d'Huggins

Edward Pickering dirige, depuis l'observatoire d'Harvard, un grand catalogue photographique : le Henry Draper Catalogue. Il rassemble au final la magnitude photographique et la classe spectrale de 391000 étoiles. Il s'agit d'une classification systématique des spectres stellaires. Ils sont regroupés en un nombre limité de classes, dénommées par la suite des lettres de l'alphabet.

Les recherches empiriques, sans présupposés théoriques, ont permis des avancées notables dans la connaissance physique des astres. Il convient ici de citer les études menées par William Huggins (1824-1910). Ainsi en examinant le spectre d'une nébuleuse en 1864, Huggins remarque qu'il ne porte pas de raies d'absorption, ce qui lui permet de conclure à la nature gazeuse de l'objet céleste. De la même manière, l'astronome anglais observe, en 1866 un spectre de nova. Il remarque des raies brillantes d'hydrogène, ce qui témoigne d'une émission de gaz à température élevée. Le changement d'éclat stellaire pouvait dès lors être associé à une autre manifestation physique.

Même si la spectroscopie visuelle n'est pas optimale pour déceler le décalage des raies dû au mouvement radial relatif de la source (qui est l'effet Doppler-Fizeau), Huggins parvient malgré tout, en 1868, à voir pour Sirius un déplacement équivalent au 2/10000 de l'étude du spectre lumineux, ce qui signifiait une vitesse radiale de 45 km.s-1. Le savant britannique utilisait un spectroscope à fente dispersif comportant 13 prismes.


L'effet Doppler-Fizeau

Le physicien autrichien C. Doppler découvre en 1842 que la perception de la hauteur d'un son peut être moins bonne si la source sonore est en mouvement relatif par rapport à l'auditeur. Il émet alors l'idée que les couleurs des étoiles pourraient être dues à un effet de ce type concernant leur lumière. Mais le physicien français Hippolyte Fizeau souligne que la vitesse des étoiles est beaucoup trop faible pour entraîner de tels effets. Il suggère plutôt que l'on puisse détecter de faibles variations de longueurs d'onde dans les spectres des étoiles. C'est cette expérience que réalise Huggins en 1868.


Interprétations des spectres

Au-delà des problèmes de classifications des spectres, des interprétations ont été tentées. Friedrich Zöllner (1834-1882) est le premier, en 1865, à imaginer qu'il existe un lien entre le type spectral et la température. Ce sont les résultats des expériences de Bunsen et Kirchhoff qui incitent le savant à théoriser le lien entre température et état de l'évolution d'une étoile. On pourrait donc connaître l'âge d'une étoile en fonction de son type. L'idée est reprise par Hermann Vogel (1841-1907) puis par Norman Lockyer (1836-1920), qui, outre la température, ajoute la densité comme élément fondamental de l'évolution stellaire. Cette démarche n'eut pas d'apport particulier dans le domaine de l'astronomie physique. Elle permet seulement de stimuler les recherches et conduit aux travaux de Ejnar Hertzsprung et Henry Norris Russell (1877-1939). Le premier compare, en 1911, la magnitude absolue et la couleur d'un groupe d'étoiles dont on connaissait la distance. De manière indépendante, l'astronome Russell, en 1913 fait exactement la même expérience. Leur conclusion est la même : les diagrammes présentant la position des étoiles en fonction de leur classe spectrale et de leur magnitude (que l'on appelle diagramme Hertzsprung – Russell) permettent de montrer que les étoiles se regroupent dans certaines régions entre lesquelles il n'y a quasiment pas d'étoiles.

Les astronomes distinguent plusieurs régions  :


Les débuts de la photométrie et de la photographie


Principes de la photométrie

Dans l'Antiquité, les astronomes avaient réparti les étoiles en six classes selon leur grandeur. Cette échelle était purement empirique : les étoiles étaient classées en fonction de leur visibilité dans le crépuscule. Les premières à apparaître après le coucher du soleil étaient de première grandeur et les dernières étaient de la sixième grandeur.

C'est Pierre Bouguer qui au 18ème siècle est le premier à définir et à étudier précisément la notion d'éclat d'une source lumineuse dans ses deux textes, Essai d'optique sur la gradation de la lumière, paru en 1729 et Traité d'optique sur la gradation de la lumière, ouvrage posthume de M. Bouguer édité en 1760.

Le principe de la photométrie repose sur des mesures relatives en faisant évoluer le flux lumineux d'une source-étalon, de manière à égaler le flux lumineux reçu d'un objet étudié.


Premiers travaux photométriques

C'est John Herschel qui réalise en 1836 au Cap de Bonne Espérance le premier dispositif photométrique pour l'astronomie. Son « astromètre » permet de comparer l'éclat d'une étoile à celui de la Lune. Son travail se révèle d'une très grande précision : l'erreur des estimations dépasse à peine le 20ème de grandeur. Il est alors possible de rattacher les éclats de 191 étoiles : il s'agit de la première échelle photométrique.

A la même époque, Karl August Steinheil (1801-1870) met au point un photomètre qui permet de comparer directement deux étoiles dans deux prismes distincts. Le principe de son montage optique repose sur la formation, côte à côte des images de deux étoiles, légèrement défocalisée. Elles apparaissaient ainsi comme deux disques identiques, mais d'intensités différentes. Le dispositif optique autorisait la variation de l'intensité des deux images d'étoiles, jusqu'à l'obtention de la même intensité. Il était alors possible d'estimer les éclats relatifs de ces deux étoiles.

En 1836, Steinheil constate que les grandeurs varient selon le logarithme des éclats. Cette loi est parfois attribuée au philosophe allemand Gustav Theodor Fechner (1801-1887). Ce fondateur de la pschophysique affirme, en 1859, que la sensation de l'œil à un éclairement n'est pas linéaire mais varie suivant le logarithme de l'excitation. Il convient de remarquer que cette loi de Fechner est postérieure à la proposition de Steinheil, même si elle est d'une portée plus ample.

K.A Steinheil attribuait le logarithme de l'éclat à 2,2. En 1879, ce nombre fut corrigé à 2,5. Il avait déjà été donné en 1856 par l'astronome anglais Norman Pogson (1829-1891) qui établit la formule portant son nom :

m_1-m_2=-2,5*log(fraction(E_1;E_2))

(où E correspond à l'éclat et m à la magnitude).


Les usages de la photométrie : Argelander et Schönfeld

La photométrie astronomique progresse surtout grâce à l'usage de la polarisation. Il s'agit d'interposer deux nicols (c'est à dire un cristal de spath islandais, scié puis recollé de façon à ce qu'un seul des rayons réfractés puisse le traverser) dont le deuxième est orientable. Il est également possible de remplacer le premier cristal par un biréfringent classique, puis, ensuite, de comparer deux flux de lumière incidents.

Les photomètres permettent d'attribuer aux grandeurs des valeurs bien précises et bien définies. Elles portent désormais le nom de magnitude. Les grandeurs comprises entre 3 et 6 coïncident pratiquement avec les magnitudes. En revanche, un certain nombre d'étoiles très brillantes, considérées jusqu'au 19ème siècle, comme de première grandeur vont correspondre à des magnitudes inférieures à 1, et même nulles ou négatives. Sirius a ainsi une magnitude de -1,6.

En 1843, Friedrich Argelander (1799-1875) publie une Uranometria Nova qui compile les mesures de toutes les étoiles visibles à l'œil nu à la latitude de Bonn. L'ensemble des mesures effectuées jusqu'en 1875 compose le Bonner Durchmusterung. Les observations ont été menées avec un télescope modeste de 7,8 cm de diamètre. Ce catalogue contient un catalogue de coordonnées stellaires, mais également des cartes représentant 321198 étoiles allant jusqu'à la magnitude visuelle 9. Par la suite, une extension de ce catalogue pour l'hémisphère sud est entreprise par Edouard Schönfeld (1828-1891). Le Southern Durchmustering liste les positions de 133659 étoiles.


Compilations à Harvard et Potsdam

Les observatoires de Harvard et de Potsdam ont entrepris, à la fin du 19ème siècle, de constituer d'importants catalogues de magnitudes visuelles.

La Revised Harvard Photometry rassemble un million de mesures correspondant à la totalité des étoiles brillantes et plusieurs milliers d'étoiles faibles. C'est Edward Pickering qui dirige la mise au point de ce catalogue.

La Potsdam Durchmusterung rassemble les travaux photométriques de Gustav Müller (1962-1906) et Paul Kempf (1856-1920) effectués à Postdam entre 1886 et 1905. Les deux astronomes allemands ont mesuré, avec un photomètre Zöllner, l'ensemble des étoiles boréales jusqu'à la magnitude de 7,5. Les mesures du Potsdam Durchmusterung sont plus précises que celles du Revised Harvard Photometry notamment parce que Gustav Müller a mené, en amont, des recherches sur l'absorption atmosphérique locale. Cette dernière correspond à un phénomène physique complexe qui affecte les déterminations photométriques.


Les étoiles variables

Les étoiles variables sont connues depuis le 17ème siècle. Mira Ceti avait été signalée en 1638 comme un astre présentant des variations d'éclat périodiques. C'est Argelander qui, en 1843, profitant de son expérience dans la mesure photométrique, commence l'étude et l'analyse des étoiles variables.

A la fin du 19ème siècle, un certain nombre de caractéristiques des étoiles variables avaient été repérées par les astronomes, à l'aide de la photométrie visuelle. Les observateurs ont remarqué qu'il existe plusieurs catégories de variables : celles qui ont une longue période (de plusieurs semaines ou plusieurs mois), celles qui ont une courte période (quelques jours), et même, après les découvertes en 1895 de Bayley, celles qui ont de très courtes périodes de quelques heures.

Toutefois, les propositions théoriques faites par les astronomes du 19ème siècle ont été insuffisantes en ce qui concerne les étoiles variables. Pour expliquer les variations d'éclat, il est impératif de bien comprendre les phénomènes des atmosphères stellaires qui sont encore inconnus à l'époque.


Fizeau et Foucault : premiers travaux

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Léon Foucault
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Le daguerréotype, issu en 1837 des travaux de Jacques Daguerre (1787-1851) et de Nicéphore Niepce (1765-1833) est assez rapidement employé dans le domaine astronomique. Le savant américain John Draper (1811-1882) est le premier à obtenir un daguerréotype de la Lune en 1840.

Le physicien Hippolyte Fizeau apporte en 1840 une amélioration importante au daguerréotype. Il propose en effet de consolider l'image produite par un vernis chimique composé de chlorure d'or et de thiosulfate de sodium. Puis Fizeau pense à exposer les plaques iodées aux vapeurs de brome. Léon Foucault prend contact avec Fizeau, car il s'intéresse précisément à cette technique de bromuration des plaques. L'opération dure moins d'une minute et exige que la solution soit changée pour chaque plaque.

Si Foucault convient que ce dernier renouvellement est un point crucial, il remarque que la procédure est insuffisante pour fixer définitivement un temps de pose convenable pour les plaques. Il s'emploie alors à préparer, avec une plus grande rigueur, les solutions de bromure et obtient ainsi de meilleurs résultats.


Foucault, Fizeau et la photographie du Soleil

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Photographie du soleil prise par Fizeau et Foucault le 2 avril 1845
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

Foucault et Fizeau poursuivent leurs travaux communs sur la photographie et obtiennent, en 1843 et 1844 d'excellentes images du soleil.

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François Arago (1786-1853)
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris
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L'Astronomie populaire de François Arago, œuvre emblématique de l'astronome français
Crédit : Bibliothèque de l'Observatoire de Paris

François Arago, le maître de l'astronomie française à cette époque, est particulièrement intéressé par ces recherches photographiques. La question de la nature du soleil est pour lui importante et il envisage qu'on puisse y répondre en cherchant à savoir si « les bords et le centre du Soleil sont (…) également lumineux ». Les observations visuelles sont, à ce sujet, discordantes et peu convaincantes. On comprend dès lors l'intérêt d'Arago pour les recherches de Fizeau et de Foucault. Les deux physiciens cherchent donc à obtenir des daguerréotypes du soleil pour résoudre la question de la luminosité des bords et du centre du soleil, mais également pour étudier les taches solaires.

La grande difficulté de l'opération réside dans la nécessité de faire des poses courtes, car le soleil exige qu'elles se situent en 1/100e et 1/60e de seconde pour éviter la surexposition. Jusqu'ici les temps de pose pouvaient être de plusieurs secondes. Fizeau et Foucault mettent au point un obturateur dans lequel la lumière passe dans une fente pratiquée dans une planche que l'on faisait passer devant l'objectif. Les physiciens ont utilisé deux objectifs achromatiques. L'un d'eux produit des images de 12,8 millimètres de diamètre.

Les daguerréotypes obtenus montrent l'assombrissement du bord solaire. Les taches solaires sont également visibles. Pour une plus grande précision, il était nécessaire d'avoir des images plus grandes. Fizeau et Foucault emploient donc un objectif achromatique de plus grande focale. Leurs images du soleil ont un diamètre de 91,5 millimètres.

Malgré la qualité exceptionnelle des daguerréotypes obtenus, les conclusions d'Arago sont incertaines et s'avèreront fausses : l'astronome français estime que la couche lumineuse du soleil (qu'il nomme photosphère) est entourée d'une strate absorbante qui assombrit davantage le rayonnement au bord.


Innovations technologiques

Une avancée technique, dans les années 1850, permet de réels progrès dans l'astronomie : l'utilisation de plaques portant une émulsion au collodion. La sensibilité est alors de qualité et surtout, les épreuves sont reproductibles.

En Angleterre, Warren de La Rue recueille, au foyer de son télescope, de remarquables photographies de la Lune. L'astronome cherche surtout à obtenir des clichés du soleil. En effet, la brièveté des poses pour cet astre ne nécessite pas de guidage manuel du télescope pendant la prise de vue. Il fait construire, en 1857, un photohéliographe. Il s'agit d'une lunette munie d'un objectif de 9 cm, avec un dispositif permettant de corriger l'aberration des rayons sensibilisant les plaques. L'instrument est installé en 1861 à l'observatoire de Kew, appartenant à la Royal Astronomical Society. Il permet de commencer un travail de surveillance suivie du soleil.

Un autre progrès technologique augmente encore l'intérêt de la photographie dans le champ des études astronomiques : il s'agit de l'utilisation des procédés au gélatino-bromure, mis au point dans les années 1870.

L'une des caractéristiques des méthodes photographiques réside dans la spécificité des équatoriaux portant les appareils de prise de vue. En effet, il est nécessaire que l'entraînement mécanique soit précisément contrôlé, puisque l'image de l'astre doit en permanence être maintenue sur une croisée de fils. Andrew Common (1841-1903), un ingénieur britannique qui s'intéresse à l'instrumentation astronomique, conçoit un dispositif, utilisant un châssis porte plaque solidaire d'un oculaire, qu'il associe à son télescope de 90 cm. Il obtient ainsi, en 1882 une photographie de la nébuleuse d'Orion.


La Carte du ciel


Photographier le ciel

L'une des plus grandes entreprises associant la photographie aux études astronomiques est lancée, à la fin du 19ème siècle par le directeur de l'Observatoire de Paris, Ernest Mouchez. Il scrute avec attention les développements technologiques de la photographie : il étudie les travaux de Fizeau, Foucault et Warren de La Rue. Il remarque également que David Gill, directeur de l'Observatoire du Cap de Bonne-Espérance a obtenu des photographies de comètes et d'étoiles. Mouchez n'ignore rien non plus des préoccupations de Jules Janssen, le fondateur de l'Observatoire de Meudon, qui, à la fin des années 1870, s'est occupé plus spécialement de la photographie du Soleil.

Le directeur de l'Observatoire de Paris constate donc que la technique émerge peu à peu dans le champ de la science astronomique. Il souhaite l'intégrer le plus rapidement aux pratiques développées au sein de l'observatoire. C'est ainsi que dès 1879, l'astronome Charles Wolf et son assistant Guénaire installent à l'Observatoire de Paris un premier laboratoire photographique.


L'astrographe, instrument clé

Pour optimiser son fonctionnement, Mouchez s'appuie sur l'expérience des opticiens nancéens Paul et Prosper Henry, appelés à l'observatoire de Paris en 1865. Les frères Henry fabriquent dans un premier temps un objectif de 16 cm, puis en 1885, ils élaborent la partie optique d'un grand appareil photographique spécial de 0,m33 d'ouverture. Le constructeur Paul Gautier est quant à lui chargé de la partie mécanique. Mouchez s'empare de l'instrument et l'associe immédiatement à un programme précis : « faire (…) en quelques années et à l'aide du concours d'une dizaine d'observatoires, convenablement répartis sur la surface du globe, la carte complète de la voûte céleste, comprenant non seulement les 5000 à 6000 astres visibles à l'œil nu, mais aussi les millions d'étoiles, jusqu'aux plus faibles, visibles seulement avec les plus puissants instruments ». (Ernest Mouchez, La photographie astronomique à l'Observatoire de Paris et la Carte du ciel, Paris : Gauthier-Villars, 1887, pp. 5-6).


Les débuts de la Carte du ciel

Il est très difficile de savoir comment Mouchez est venu, à partir de la prouesse technique des frères Henry, à concevoir une entreprise de cartographie céleste. Il est possible que l'émulation avec l'observatoire du Cap de Bonne Espérance ait été décisive. Avant que le deuxième équatorial de Paul et Prosper Henry soit construit, le directeur de l'établissement astronomique sud-africain, David Gill, le directeur de l'Observatoire du Cap, confie à Mouchez qu'il a l'idée de faire une série de clichés photographiques du ciel austral.

Mouchez, de son côté, décide de forger un programme scientifique pour répondre aux questions qu'il juge centrales dans l'astronomie de la fin du 19ème siècle. Mouchez imagine la Carte du ciel comme une entreprise testamentaire, illustrant les exigences de perfection de l'astronomie qu'il pratique. Le directeur de l'observatoire de Paris souligne à juste titre que la photographie a surtout été utilisée pour reproduire « l'aspect des astres » et très peu pour « la détermination de leur position ». La « géographie du Ciel » que propose Mouchez implique, selon lui, « une transformation complète » des pratiques astronomiques et l'ouverture d'« une nouvelle ère pour cette science ».


Principes de la Carte du ciel

L'astronome quitte le foyer de l'instrument et se contente d'examiner les clichés à l'aide d'un microscope qui met à sa portée la précision photographique. Les frères Paul et Prosper Henry ont donc conçu un appareil de mesure appelé Macro-Micromètre. Il se compose d'un chariot glissant sur deux rails horizontaux. Ce système mobile porte un plateau circulaire sur lequel peuvent être fixées les épreuves dont on veut effectuer les mesures. Ce plateau est destiné à la mesure de l'angle de position des étoiles photographiées. Un microscope, placé au-dessus, peut être déplacé horizontalement dans une direction perpendiculaire au mouvement du chariot.


Les nouvelles pratiques de la Carte du ciel

Il est très important de noter que l'astronome n'observe donc plus directement, dans la coupole. L'examen du ciel est déplacé et différé. Mouchez souligne que l'équatorial photographique permet « de transporter (…) l'image de la voûte céleste dans le cabinet de travail ». Les clichés reproduits se démultiplient à l'infini et circulent entre les observateurs, sans qu'ils aient eu à manipuler l'équatorial photographique.

Mouchez insiste sur l'inflexion profonde qu'engendre la photographie dans la pratique astronomique :« Il ne sera plus nécessaire de disposer de grands et coûteux instruments, ni de se fatiguer à passer des nuits à les manœuvrer ; il ne sera plus nécessaire de se transporter (…) : toutes ces opérations se trouveront transformées en une étude au microscope, faite à loisir, commode, facile, sans frais aucun (…) ». (Ernest Mouchez, La photographie astronomique à l'Observatoire de Paris et la Carte du ciel, Paris : Gauthier-Villars, 1887, p. 48).

Précision et mécanisation président donc au projet imaginé par l'amiral Mouchez. Délaissant l'observation directe, l'astronome se concentre sur la mesure et le calcul, aidé par la technique.

L'entreprise se veut ambitieuse. Inventaire gigantesque, la Carte du ciel doit, selon son géniteur, permettre de donner en quelques années (dix ou vingt ans au maximum, écrit-il en 1887), les positions précises de plus de deux millions d'étoiles.


Un projet international

Une telle entreprise permet de prendre position dans une compétition scientifique internationale désormais très âpre. Ernest Mouchez, devant l'Académie en 1887, s'alarme des diverses ambitions étrangères qui pourraient saisir la photographie comme instrument d'une possible domination savante. Plusieurs tentatives d'inventaire céleste, à l'aide de la photographie, sont à l'œuvre, notamment aux Etats-Unis, sous la conduite d'Edward Pickering de l'observatoire d'Harvard. L'argument d'une concurrence internationale accrue mobilise les autorités politiques françaises.

Ernest Mouchez entreprend donc de rassembler les astronomes susceptibles de participer à son projet. Il contacte en juin 1885 d'abord la Société Royale astronomique de Londres, puis les directeurs des observatoires d'Harvard, Londres, Rio de Janeiro et Poulkovo, pour leur exposer l'entreprise de la Carte du ciel. L'accueil est plutôt favorable. Déjà impliqué, David Gill au Cap, propose d'ajouter à la cartographie du ciel la construction d'un catalogue astrophotographique. Il demande également à Mouchez de coordonner une conférence internationale.


Une première conférence

Cette première grande réunion se tient à Paris en 1887 et rassemble cinquante-six membres dont trente-sept étrangers. Après une semaine d'intenses discussions, l'objectif est affiché : « constater l'état général du ciel à l'époque actuelle [et] d'obtenir des données qui permettront de déterminer les positions et les grandeurs de toutes les étoiles jusqu'à un ordre donné de grandeur (…) ». (Congrès astrophotographique international tenu à l'Observatoire de Paris pour le levé de la Carte du Ciel, Institut de France, Académie des Sciences, Paris : Gauthier-Villars, 1887, p. 7).

L'observatoire de Paris est désigné comme l'épicentre d'un réseau de dix-huit établissements répartis sur tout le globe. Il y a officiellement 18 observatoires de 12 nations différentes.

Observatoires Zone de déclinaison
Greenwich de + 90° à + 65°
Vatican de + 64° à + 55°
Catane de + 54° à + 47°
Helsinki de + 46° à + 40°
Potsdam (puis Uccle) de + 39° à + 32°
Oxford de + 31° à + 25°
Paris de + 24° à + 18°
Bordeaux de + 17° à + 11°
Toulouse de + 10° à + 5°
Alger de + 4° à - 2°
San Fernando de - 3° à - 9°
Mexico de - 10° à - 16°
Santiago (puis Hyderabad) de - 17° à - 23°
La Plata (puis Cordoba) de - 24° à - 31°
Rio de Janeiro (puis Perth et Edimbourg) de - 32° à - 40°
Cap de Bonne-Espérance de - 41° à - 51°
Sydney de - 52° à - 64°
Melbourne (puis Sydney) de - 65° à - 90°

L'inachèvement de la Carte du ciel

Concrètement, la Carte du ciel nécessite, pour chaque observatoire impliqué, une série de tâches distinctes.

Les deux dernières activités permettront l'arrivée de femmes, chargées de travaux de mesure et de statistique au sein des observatoires. C'est notamment le cas au sein des observatoires de Toulouse, Bordeaux et Paris. Ce dernier établissement emploie Dorothea Klumpke (1861-1942) qui est la première femme à soutenir une thèse d'astronomie (sur les anneaux de Saturne) en France.

La Carte du ciel reste un projet inachevé. La multiplication des travaux périphériques, l'importance prise par le catalogue au début du 20e siècle, la difficulté à traiter un grand nombre de données chiffrées vont contribuer à l'enlisement progressif du projet. Il sera officiellement interrompu par l'Union Astronomique Internationale en 1970.