3000 ans d’observations et de réflexion

Observateurs du ciel et de la Terre cet article vous est destiné,

Parler de la Terre c’est parler d’agriculture elle qui a permis le développement de civilisations avancées. Mais parler de la Terre c’est aussi parler du ciel car pour maîtriser l’agriculture il est besoin de connaître le temps et connaître le temps c’est établir un calendrier précis. Pour retenir un calendrier complexe rien ne vaut de raconter des histoires devenues mythes !

Toutes les civilisations ont développé l’astronomie jusqu’à atteindre un niveau d’excellence. Cela vaut pour l’astronomie pré-colombienne (mayas, incas, …), l’astronomie chinoise ou encore hindoue. Mais aucune d’elles n’a eu plus d’influence que celle des Grecs. Les civilisations pré-colombienne, chinoise et hindoue étaient en décadence et les rares traces de leurs connaissances étaient souvent détruites par les colons européens quand on ne tuait pas les habitants.

L’astronomie était pourtant florissante durant l’antiquité. Les grecs eux-mêmes ne partaient pas du néant et les Sumériens, Babyloniens ou Égyptiens avaient déjà pris en compte le mouvement des astres dans le ciel. Mais, avec la civilisation grecque apparaissent les premiers efforts pour expliquer les phénomènes naturels de manière raisonnée sans y associer de magie.

Vers -600, Thalès de Milet (celui du théorème) était capable de prédire les éclipses de Lune avec une assez bonne précision et il avait compris que c’était le soleil qui éclairait la Lune.

Aux alentours de -585 à -500, Pythagore (également celui du théorème) avait réalisé que Terre et Lune étaient des sphères. L’école pythagoricienne s’évertuera alors à décrire le monde à partir du nombre.

Vers -400 (à l’époque de Platon) on considérait cependant toujours que la Terre était immobile sinon, disait-on, il aurait dû être possible de voir son déplacement par rapport aux étoiles.

Vers -350 ( à l’époque d’Aristote) un lien était désormais établi entre l’illumination de la Lune par le soleil et ses différentes phases. Aristote présente plusieurs arguments pour rendre compte de l’état sphérique de la Terre.

Un peu après -300, Aristarque de Samos eut l’idée que la Terre tournait sur elle-même et en même temps autour du soleil.

Il faisait la première estimation de la distance Terre-Soleil en utilisant le triangle rectangle formé par la Terre, la Lune et le Soleil au moment de la demi-Lune (merci Pythagore) et en mesurant l’angle Lune-Terre-Soleil. Il trouva que le soleil était éloigné 19 fois plus de la Terre que la Lune. Il était encore loin du compte mais ce n’était qu’un début dans l’histoire moderne de l’astronomie.

Il comprit que le soleil était beaucoup plus gros que la Terre et eut l’intuition (correcte) qu’il était plus logique que le petit corps tourna autour du gros.

Nul doute que regarder la voûte céleste soir après soir aidait à imaginer les mécanismes qui se jouaient dans les cieux :

A peu près à la même époque, Ératosthène de Cyrène mesurait le rayon de la Terre et démontrait ainsi qu’il s’agissait d’une sphère. Il réalisa ses mesures en Égypte.

Le jour du solstice d’été à midi, le soleil est au zénith à Syène. Un bâton planté verticalement n’a donc pas d’ombre (le soleil est à son exact verticale). Le même jour, à la même heure, à Alexandrie Ératosthène mesure la longueur de l’ombre d’un obélisque dont il connaît la hauteur et obtient ainsi la mesure de l’angle sol-sommet de l’obélisque-sommet de l’ombre (Pythagore le retour) et en déduit l’angle sol d’Alexandrie-Centre de la terre-Sol de Syène. Il connaît la distance entre Alexandrie et Syène et en déduit facilement le rayon de la Terre.

Vers -100, Hipparque découvre la précession des équinoxes et établit une loi du mouvement du Soleil et de la Lune. Il en profite également pour inventer la trigonométrie (tant qu’à faire) et réalise avec une grande précision un premier catalogue d’étoiles.

Vers +150, Ptolémée s’appuie sur la critique d’Hipparque concernant la mesure de l’angle Lune-Terre-Soleil pour remettre en cause (avec raison) la valeur calculée par Aristarque et propose donc (à tort cette fois) sa théorie géocentrique du mouvement des planètes qui aura la peau dure pendant 14 siècles.

L’ensemble de ces connaissances à même conduit à la réalisation d’un mécanisme infiniment complexe permettant d’en rendre compte avec une précision hors du commun. Nul ne sait combien de ces mécanismes étaient en circulation à l’époque.

Après la destruction de la bibliothèque d’Alexandrie en 390 et le déclin de la civilisation grecque c’est en Chine et dans le monde arabe que l’astronomie connaît une période florissante. Dans le monde occidental au Moyen-âge c’est l’obscurantisme total. A tel point que la super-nova du crabe en 1054, astre éphémère d’une brillance incroyable, ne fut observée que des chinois, que des arabes et que des peuples d’Amérique. Essayez l’ignorance …

Il faudra attendre la Renaissance pour également observer la renaissance de l’astronomie en occident.

Né en 1473, Nicolas Copernic réalise ses études à la prestigieuse Université de Cracovie. Il se rend ensuite en Italie pour étudier le droit canonique et la médecine à l’Université de Bologne. Il suit les cours d’astronomie de Domenico Maria Novara (un des premiers scientifiques à remettre en cause le système géocentrique de Ptolémée). Ensemble, les deux hommes observent de nombreuses occultations dont celle de l’étoile Aldébaran le 9 mars 1497 à Bologne ainsi que des éclipses de Lune. En 1500, Copernic est nommé professeur de mathématiques et conférencier sur l’astronomie à Rome.

A l’époque, le modèle géocentrique est très largement accepté depuis que Ptolémée en avait donné une description formelle. Il s’agit d’une vérité inaliénable pour diverses écoles de pensée et pour l’Église catholique qui la reprend à son compte. Cependant, Copernic est contemporain de la réforme, de la découverte des Amériques et cela est propice à ce que de nouvelles idées émergent.

Dans la préface de son livre, publié en 1543 et dont il verra un des premiers exemplaires imprimés quelques heures avant sa mort, Copernic indique, pour éviter de froisser l’Église, que son système n’est qu’une hypothèse. Il y remet  en cause l’idée que la Terre est au centre de l’Univers et pour la première fois, il y représente en son centre, notre Soleil avant de placer finalement tous les autres astres en orbite autour de celui-ci. Cependant, la Terre continue à jouer un rôle privilégié dans ce système puisque les mouvements sont rapportés au centre de l’orbite terrestre et non au soleil qui est en fait légèrement décalé

L’Église a condamné Copernic à titre posthume pour cette hérésie et sa théorie sera interdite par l’Église jusqu’à la fin du XVIe siècle, mais, paradoxalement, elle a libéré les savants de leurs préjugés théologiques et aura une portée philosophique considérable.

–> Rappel et petit quizz pour savoir si on a bien compris l’essentiel.

Tycho Brahé, né le 14 décembre 1546, est un aristocrate excentrique et qui plus est adopté. En obtenant les faveurs du roi du Danemark Frédéric II, il fit édifier l’observatoire d’Uraniborg (le palais d’Uranie) et l’observatoire de Stelborg (le château des étoiles) et réalisa pendant près de 30 ans les meilleures observations du mouvement des planètes.

Sa vocation est née ’à l’occasion d’un événement  qui se produisit le 17 août 1563 et qui le marqua considérablement.  Il fut choquer de constater lors d’une conjonction Jupiter-Saturne que les meilleures tables astronomiques à sa disposition l’avaient prévue avec une erreur de plusieurs jours. Il se prit au jeu de faire mieux. Pour cela, il se procure alors quantité d’instruments pour l’étude de l’astronomie : quadrant, astrolabe… de grande taille. Il se mettra même à fabriquer ses propres instruments et sera le dernier des grands astronomes observant uniquement à l’œil nu.

Vers la fin de sa vie il se voit obligé de s’exiler et se retrouve à Prague sous la protection de Rodolf II. De 1600 jusqu’à sa mort survenue en 1601, il fut assisté par Johannes Kepler, qui allait plus tard utiliser ses données astronomiques pour développer ses propres théories sur l’astronomie et le mouvement des planètes. Il meurt à Prague après avoir déliré sur son lit de mort. Dans quelques moments de répit il dit à Kepler : « Ne frustra vixisse videar ! » (débrouille toi pour que je ne paraisse pas avoir vécu en vain !), car il s’est rendu compte qu’il n’avait réalisé que des Progymnasmata (travaux préliminaires). Kepler répondra à ce dernier vœu en publiant Astronomiae instauratae progymnasmata dès 1602.

Kepler est l’antithèse de Tycho Brahé. Il est issu d’une famille misérable du sud de l’Allemagne, sa mère est aubergiste, son père un mercenaire toujours à la guerre qui ne revient à la maison que pour faire des enfants et battre sa femme. Kepler, lui, naît prématurément, le 27 décembre 1571, et restera toute sa vie d’une nature chétive.Il contracte la petite vérole à 3 ans, a les mains déformées et gardera comme autre séquelle une vue très amoindrie. Alors que son avenir peut sembler compromis il a la chance d’être né dans le duché de Wurtemberg où l’éducation pour tous est offerte par le duc.

Kepler se révèle très rapidement avoir un esprit exceptionnel, grimpe les échelons intellectuels et accède à l’université prestigieuse de Tübingen. Son professeur de mathématiques, l’astronome Michael Maestlin, lui enseigne le système héliocentrique de Copernic, qu’il réservait aux meilleurs étudiants, les autres devant alors se contenter du système géocentrique de Ptolémée. Kepler devient ainsi un copernicien convaincu et reste très proche de son professeur ; il n’hésitera pas à lui demander aide ou conseil pour ses travaux.

Cependant, Kepler, qui a grandi dans la religion protestante, est très croyant et son premier souhait est de devenir pasteur. Ses idées un peu trop hétérodoxes (imaginez un calviniste parmi des luthériens) l’en empêcheront et à la place il se verra octroyer un poste de professeur de mathématiques à l’école protestante de Graz. Alors qu’il est en plein cours une illumination le saisit et il se prend l’idée de géométriser l’univers à l’instar des grecs. En 1596, il publie son premier ouvrage, Mysterium Cosmographicum, fruit de ses premières recherches sur la structure de l’Univers. Cet ouvrage finit par tomber dans les mains de Tycho Brahé qui a besoin d’un mathématicien pour l’aider à mettre au point son propre système. Kepler accepte et s’en suivent 18 mois de querelles et de réconciliations. Kepler est intéressé par les données de Brahé et Brahé tient lui à prouver la validité de son système.

Leur contemporain, Galilée, né à Pise le 15 février 1564  et considéré comme le fondateur de la physique moderne (il invente la cinématique, la microscopie, la thermométrie, établit la loi de la chute des poids, …) a fait preuve très tôt d’une grande habileté manuelle. Enfant, il s’amusait à réaliser les maquettes de machines qu’il avait aperçues. Il fut éduqué chez ses parents jusqu’à l’âge de 10 ans.Il passera par Florence puis retournera à Pise pour entamer des études de médecine qu’il abandonnera.

Grâce à Euclide, qui l’éblouit, Galilée réoriente ses études vers les mathématiques. Dès lors, il se réclame de Pythagore, de Platon et d’Archimède et contre le géocentrisme aristotélicien. Deux ans plus tard, il est de retour à Florence sans diplôme, mais avec de grandes connaissances et une grande curiosité scientifique.

En 1592, Galilée part enseigner à l’université de Padoue où il reste 18 ans. Le départ de Pise, après seulement 3 ans, s’explique par un différend l’opposant à un fils du grand-duc Ferdinand I^er de Toscane. Padoue appartenant à la puissante République de Venise il bénéficie d’une plus grande liberté intellectuelle. Galilée peut alors effectuer ses recherches sans trop de soucis. L’inquisition avait pourtant déjà frappé !

Il faut se rappeler que Giordano Bruno, (né en janvier 1548), refusa de se soumettre à la loi de l’église et au dogme qu’elle voulait imposer. Il adhéra à l’héliocentrisme dès 1584 (Le Banquet des cendres) et alla bien plus loin en voulant renoncer à l’idée même de centre. Il est incroyable de voir aujourd’hui à quel point Giordano Bruno avait vu juste en son temps.

« Il n’y a aucun astre au milieu de l’univers, parce que celui-ci s’étend également dans toutes ses directions. » Chaque étoile est un soleil semblable au nôtre, et autour de chacune d’elles tournent d’autres planètes, invisibles à nos yeux, mais qui existent.

« Il est donc d’innombrables soleils et un nombre infini de terres tournant autour de ces soleils, à l’instar des sept « terres »  que nous voyons tourner autour du Soleil qui nous est proche. » (Giordano Bruno, L’Infini, l’Univers et les Mondes, 1584).

Ces images de l’univers prise par le télescope spatial  Hubble en sont la preuve.

Accusé d’hérésie par l’Inquisition, notamment pour ses écrits jugés blasphématoires et son intérêt pour la magie, il fut condamné à être brûlé vif au terme de huit années de procès, sur un bûcher sur le Campo Dei Fiori. Il périt par les flammes le 17 février 1600.

C’est neuf ans plus tard que Galilée reçut de Paris une lettre du Français Jacques Badovere, l’un de ses anciens étudiants, lui confirmant une rumeur insistante : l’existence d’une longue-vue conçue par l’opticien hollandais Hans Lippershey en 1608 permettant de voir les objets éloignés. Cet instrument aurait déjà permis de voir des étoiles invisibles à l’œil nu. Sur cette seule description, Galilée construit sa première lunette qui grossit six fois. Le 21 août 1609, venant à peine de terminer sa deuxième lunette (elle grossit huit ou neuf fois), il la présente au Sénat de Venise. La démonstration a lieu au sommet du Campanile de la place Saint-Marc. Les spectateurs sont enthousiasmés : sous leurs yeux, Murano (d’ou provient le verre des lentilles), située à 2,5 km semble être à environ 300 m seulement. Galilée offre son instrument et en lègue les droits à la République de Venise, très intéressée par les applications militaires de l’objet. En récompense, Galilée est confirmé à vie à son poste de Padoue et ses gages sont doublés. Il est enfin libéré des difficultés financières.

Au même moment, Kepler qui a hérité de l’ensemble des  données d’observation de Tycho Brahé s’est appuyé sur celles remarquables concernant le mouvement de Mars pour théoriser deux des trois lois qui portent son nom :

• Les planètes décrivent des ellipses planes dont le soleil occupe l’un des foyers

• Le mouvement de chaque planète est tel que le segment de droite reliant le Soleil et la planète balaie des aires égales pendant des durées égales.

La troisième arrivera en 1618 après 9 années supplémentaires de travail.

• Pour toutes les planètes, le rapport entre le cube du demi grand axe de la trajectoire et le carré de la période est le même — cette constante est indépendante de la masse de la planète.

Entre temps Galilée a pointé sa lunette vers le ciel et fait en quelques nuits du mois de juillet 1610 la plus grande moisson de découvertes jamais faites par un astronome. Il trouve les tâches et la rotation du soleil, les cratères et les montagnes de la Lune, les quatre gros satellites de Jupiter, les anneaux de Saturne, une multitude d’étoiles jusqu’alors invisibles et de nombreux amas d’étoiles. Il comprend la nature de la voie lactée. Il prend sans doute conscience également de la portée de ses découvertes. Finalement, en 1610, les observations effectuées par Galilée, à l’aide de son tout premier télescope, ont fourni les preuves confirmant la vision de Copernic.

Il se verra raillé, discrédité par les tenants de la théorie géocentrique quand Kepler lui apporte tout son soutien. Galilée ne lâchera rien. Le pape Urbain VIII lui soumet l’idée de son prochain livre Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, ouvrage qui présenterait de façon impartiale à la fois le système aristotélicien et le système copernicien. Il charge Galilée de l’écrire. ce à quoi s’emploie ce dernier jusqu’en 1631. L’ouvrage est achevé d’imprimer en février 1632.

Ce Dialogue est à la fois une révolution et un scandale. Le Dialogue se déroule à Venise sur quatre journées entre trois interlocuteurs : Filippo Salviati, un Florentin partisan de Copernic, Giovan Francesco Sagredo, un Vénitien éclairé mais sans a priori, et Simplicio, un piètre défenseur de la physique aristotélicienne, un personnage dans lequel Urbain VIII se serait reconnu. Mais, lorsqu’on lui reprocha le caractère ostensiblement péjoratif du nom, Galilée répondit qu’il s’agissait de Simplicius de Cilicie. Le pape se range rapidement à l’avis des adversaires de Galilée.

S’ouvre alors un procès de plusieurs années dont la sentence est la prison à vie. Elle sera immédiatement commuée en assignation à résidence chez l’archevêque Piccolomini à Sienne. Il obtiendra finalement d’être relégué chez lui, à Florence dans sa villa d’Arcetri ou il mourra le 8 janvier 1642.

–> Second rappel et second petit quizz (pour savoir si vous suivez toujours).

Presque une année entière après la mort de Galilée naît Isaac Newton (4 janvier 1643). Newton est le fondateur de la mécanique, de l’optique moderne et celui qui mettra en place le calcul différentiel. Il invente le télescope et l’analyse spectrale.

À dix-huit ans, il entre alors au Trinity College de Cambridge et y étudie l’arithmétique, la géométrie dans les Éléments d’Euclide et la trigonométrie. Il s’intéresse plus particulièrement à l’astronomie, à l’alchimie et à la théologie. En 1665 la peste s’abat sur la ville et Newton retourne dans le Lincolnshire où il va progresser très rapidement durant ces deux années de réflexion et de travail.

Lorsque Halley lui rend visite en 1684 il commence à réfléchir au problème de la gravitation et durant les 3 années qui suivent il  développe ses idées au point de ne plus dormir et d’oublier de manger. Il imagine un canon placé au sommet d’une montagne très haut dans l’atmosphère :

Si le boulet est tiré doucement alors il retombera sur la Terre

Si la vitesse est trop importante alors il s’échappera vers les cieux

Si par contre la vitesse est suffisante alors le boulet sera maintenu en orbite. (vous savez la lune, les satellites, …)

En 1687 il publie son ouvrage Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, écrit en 1686, et considéré aujourd’hui comme une œuvre majeure dans l’histoire de la science. C’est dans celui-ci qu’il décrit la gravitation universelle, formule les trois lois du mouvement et jette les bases de la mécanique classique.

Sa théorie de la gravitation universelle sera le point de départ de l’astronomie mathématique pendant près de 250 ans. Elle s’exprime de la façon suivante :

Deux corps ponctuels de masse ΜA et MB s’attirent avec des forces de mêmes valeurs (mais vectoriellement opposées), proportionnelles à chacune des masses, et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Cette force a pour direction la droite passant par le centre de gravité de ces deux corps.

La force exercée sur le corps B par le corps A est vectoriellement donnée par la relation

où G est la constante gravitationnelle.

La nouvelle vision de l’univers va alors s’imposer au monde occidental. En se basant sur les observations de Tycho Brahé, les lois de Kepler et les découvertes de Galilée, Newton parvient à expliquer pourquoi les planètes se déplacent. Nous disposons désormais d’un modèle simple et précis gouverné par des lois simples.

L’essentiel des efforts seront désormais consacrés à l’étude des mouvements des corps célestes dans le système solaire. L’apogée en sera la découverte en 1846, par le calcul, de la planète Neptune de façon indépendante par Adams et Le Verrier.

Après les grecs, leur géométrie et leurs cercles divins, ce fut autour des cours et durant des crises religieuses que l’alliance des inventeurs d’instruments d’observation et des grands penseurs fit avancer l’astronomie. Ce sont grâce à tous ceux-là que d’autres ont pris la relève et poursuivi la quête pour comprendre le système solaire, l’univers et qu’un jour nous puissions voir la Terre de l’espace.

Sources :

Sciences de la Terre et de l’Univers, édition Vuibert

Conférence de Jean-Pierre Luminet sur « Les bâtisseurs du ciel ».
1er épisode du documentaire : La fabuleuse histoire de la science.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Copernic
http://fr.wikipedia.org/wiki/Tycho_Brahe
http://fr.wikipedia.org/wiki/Johannes_Kepler
http://fr.wikipedia.org/wiki/Galil%C3%A9e_%28savant%29
http://fr.wikipedia.org/wiki/Isaac_Newton

Les vidéos prises sur Youtube contiennent des images de la NASA et de l’ESO.

(Pdf de l’article : Une courte histoire de notre vision du système solaire)

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