La renaissance de l’astronomie

Nicolas Copernic

La première attaque d’importance contre les conceptions des Anciens fut portée par un chanoine polonais, Nicolas Copernic, au milieu du XVIe siècle. Né en 1473, Copernic fut convaincu très jeune, probablement par la lecture d’Aristarque de Samos, que la Terre n’occupait pas le centre du monde. Il consacra son temps libre à accumuler observations des corps célestes et calculs de leur orbite, dans le but de mettre au point un nouveau système du monde : l’héliocentrisme (du grec hélios : le Soleil).

Copernic
Nicolas Copernic : Torun, 1473 – Frombork, 1543

Copernic publia le résultat de ses travaux en 1543 dans De Revolutionibus (Des révolutions). Dans cet ouvrage, le Soleil occupait le centre du monde et c’est autour de lui que les autres corps tournaient, avec dans l’ordre, Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne.

La Terre, qui d’après les Anciens et l’Eglise était le centre du monde, se voyait ramenée au rang de simple planète en orbite autour du Soleil.

Il faut remarquer que la théorie de Copernic n’était pas le résultat direct de ses observations et de ses calculs, mais juste une construction purement théorique. En fait, son système ne différait guère de celui de Ptolémée dans ses prédictions du mouvement apparent des astres.

De plus, Copernic restait convaincu que l’orbite des corps célestes devait être circulaire et parcourue à vitesse constante comme Aristote et Ptolémée. Pour expliquer le mouvement irrégulier des planètes, il devait lui aussi introduire des épicycles et construire un système très complexe.

Le système de Copernic présentait cependant un avantage majeur : sa plus grande simplicité. En particulier, il expliquait le mouvement rétrograde des planètes sans faire appel à des épicycles, mais simplement par une combinaison de leur mouvement avec celui de la Terre.

Le mouvement de révolution était lancé et rapidement d’autres astronomes travaillèrent à établir l’astronomie sur des bases plus solides, par l’amélioration des moyens d’observation et par un effort de compréhension des orbites planétaires.

Tycho Brahe

Après la remise en cause de la Terre comme centre du monde par Copernic, le concept d’immuabilité des cieux, un autre pan de l’astronomie d’Aristote, s’écroula à la fin du XVIe siècle.

Ceci se produisit en 1572, lorsqu’apparut dans le ciel une nouvelle étoile qui fut visible en plein jour pendant un mois et qui continua à briller pendant un an et demi. Nous savons aujourd’hui qu’il s’agissait en fait d’une étoile de notre Galaxie qui venait d’exploser – une supernova.

Pour les astronomes de l’époque, qui se référaient à l’immuabilité des cieux d’Aristote, ce phénomène ne pouvait s’être produit qu’à l’intérieur de la sphère de la Lune, donc près de la Terre, dans le royaume de l’imperfection et du changement.

Mais grâce à des mesures précises de la position de l’étoile nouvelle, l’astronome danois Tycho Brahe montra que celle-ci était absolument immobile et fixe par rapport aux autres étoiles. Or, si l’astre nouveau avait réellement été proche de la Terre, il aurait dû se déplacer dans le ciel comme les planètes.

Tycho Brahe aboutit donc à la seule conclusion possible : l’étoile nouvelle devait se trouver bien plus loin que les autres planètes, dans le domaine des étoiles. Les cieux n’étaient donc pas immuables, mais soumis au changement comme la Terre, et le doute commença à s’installer sur le dogme d’Aristote.

Tycho Brahe
Tycho Brahe : Knudstrup, 1546 – Prague, 1601

Ces doutes furent confirmés cinq ans plus tard, en 1577. Tycho Brahe observa le passage d’une comète brillante et analysa son mouvement. Ses observations montrèrent que la comète se déplaçait par rapport au fond constitué par les étoiles, mais beaucoup plus lentement que la Lune.

La comète devait donc elle aussi se trouver au-delà de l’orbite de notre satellite, alors que les comètes avaient toujours été considérées comme des phénomènes atmosphériques.

Les observations de cette comète confirmèrent donc les résultats de 1572, en mettant en évidence un deuxième objet céleste soumis à des changements.

Les observations de la comète allèrent encore plus loin. En les analysant, Tycho Brahe montra que la trajectoire du corps n’était pas circulaire, mais de forme elliptique (ovale). Le dernier pan de la pensée aristotélicienne, le mouvement circulaire des planètes, commençait également à trembler.

Tycho Brahe entrepris en 1576 la construction d’un observatoire sur l’île de Ven au Danemark. Il y passa plus de 20 ans à effectuer des mesures de la position précise des planètes et des étoiles les plus brillantes.

Uraniborg
L’observatoire d’Uraniborg sur l’île de Ven. Crédit : Pioneers of Science, Project Gutenberg

Bien que le télescope et la lunette astronomique restaient à inventer, il réussit à obtenir des résultats d’une précision inégalée pour l’époque et put établir un catalogue d’étoiles qui fit référence longtemps.

Mais surtout, il mit au point un ensemble d’observations précises du mouvement des planètes dans le ciel qui servit de base à notre compréhension définitive des orbites planétaires, le résultat des travaux de l’astronome allemand Johannes Kepler.

Johannes Kepler

Johannes Kepler, né en 1571, débuta sa carrière comme assistant de Tycho Brahe. A la mort de ce dernier, toutes les précieuses observations de planètes accumulées pendant une vingtaine d’années devinrent la propriété de Kepler.

Kepler
Johannes Kepler : Weil der Stadt, 1571 – Regensburg, 1630

L’astronome allemand s’intéressa tout particulièrement au mouvement de Mars, qu’aucun système existant n’arrivait à reproduire avec précision.

Après de très laborieux calculs, Kepler fut en mesure de déterminer l’origine des irrégularités du mouvement de Mars. L’orbite de la planète autour du Soleil n’était pas circulaire, mais de forme plus ovale : pas un cercle, mais une ellipse.

Lois de Kepler
D’après la première loi de Kepler, chaque planète (M) du système solaire se déplace sur une ellipse et le Soleil (S) est situé à l’un des foyers de cette ellipse. D’après la seconde loi de Kepler, une ligne tracée entre le Soleil et la planète balaye toujours la même aire (en jaune) dans un intervalle de temps donné : la planète de déplace donc plus rapidement lorsqu’elle se trouve à son point le plus proche du Soleil (le périhélie) que lorsqu’elle se trouve à son point le plus éloigné (l’aphélie). D’après la troisième loi de Kepler, le rapport du carré de la période de révolution sur le cube de la taille de l’ellipse est le même pour toutes les planètes du système solaire. Crédit : Wikimedia Commons

Kepler publia ce résultat en 1609, dans Astronomia Nova (Astronomie nouvelle) et enterra définitivement l’ancien dogme de la circularité des orbites planétaires.

Kepler montra également que Mars ne parcourait pas son orbite à vitesse constante, mais à une vitesse fonction de la distance de la planète au Soleil.

En fait, Kepler découvrit que le Soleil ne se trouvait pas au centre de l’ellipse de Mars, mais en un point un peu décalé appelé le foyer de l’ellipse. Lorsque la planète passait par le point de l’orbite le plus proche de ce foyer, le périhélie, sa vitesse était maximale. Lorsqu’elle passait par le point le plus éloigné, l’aphélie, sa vitesse était minimale.

Après le succès de son étude de Mars, Kepler s’attaqua également aux autres planètes. Après plusieurs années de calculs, il mit en évidence une loi décrivant le mouvement de chaque planète autour du Soleil.

Il montra que le carré de la période de révolution d’une planète, c’est-à-dire le temps nécessaire pour faire un tour complet, était proportionnel au cube de la taille de son orbite.

Cette loi se révéla extrêmement utile car il suffisait alors de déterminer l’une de ces grandeurs, période ou dimension de l’orbite, pour immédiatement connaître l’autre.

De plus, comme cette loi se généralise à tout corps en orbite autour d’un autre, elle permit plus tard de déterminer la masse de nombreux corps, aussi bien celle de Pluton que celles de nombreuses étoiles binaires.

Galileo Galilei

Parallèlement aux travaux de Kepler, une autre avancée majeure eut lieu dans le domaine de l’observation. Au début du XVIIe, des savants hollandais eurent l’idée d’utiliser un jeu de lentilles pour construire un instrument optique capable d’agrandir les images : la lunette.

L’usage de cet instrument fut d’abord limité aux militaires, mais en 1610 un astronome italien, Galileo Galilei, dit Galilée, construisit sa propre lunette et la tourna vers le ciel. Il fit alors découverte sur découverte en un laps de temps record.

Galilée
Galileo Galilei : Pisa, 1564 – Arcetri, 1642

Galilée décrivit cette même année les merveilles qu’il avait découvertes dans Sidereus Nuncius (Le messager des étoiles) : la Voie Lactée n’était pas une tache diffuse mais apparaissait formée d’une myriade d’étoiles, la surface de la Lune n’était pas lisse mais présentait des montagnes et des cratères, la planète Jupiter était accompagnée d’un cortège de quatre satellites en orbite autour d’elle.

Un peu plus tard, Galilée fit encore d’autres découvertes : la planète Saturne n’apparaissait pas sphérique mais présentait un disque déformé, indice de l’existence d’un corps autour d’elle, la planète Vénus n’avait pas toujours le même aspect mais présentait des phases successives comme la Lune, et le disque du Soleil n’était pas uniforme mais parsemé de petites taches sombres.

Les observations de Galilée furent le coup de grâce pour la conception aristotélicienne du monde, en tout cas dans la communauté savante.

Les taches sur le disque solaire et les cratères de la Lune prouvaient que les corps célestes étaient loin de la perfection qu’Aristote leur attribuait.

Les satellites de Jupiter apportaient la preuve que la Terre n’était pas le centre de tous les mouvements célestes. Et les phases de Vénus ne pouvaient s’expliquer que si cette planète tournait autour du Soleil, pas autour de la Terre.

A la lumière de ces découvertes, Galilée publia en 1632 Dialogo Sopra I Due Massimi Systemi Del Mondo (Dialogue sur les deux principaux systèmes du monde), dans lequel il comparait les systèmes du monde de Ptolémée et de Copernic. Galilée laissant évidemment apparaître que le modèle de Copernic était correct, ce qui lui attira les foudres de l’Eglise, qui avait repris à son compte la théorie d’Aristote depuis le XIIIe siècle.

Malgré les précautions que Galilée avait prises en présentant le système de Copernic comme un simple modèle, il fut forcé par l’Inquisition à abjurer cette doctrine en 1635 et ses livres furent mis à l’Index. Mais le progrès de la science était en marche et plus rien désormais ne pouvait l’arrêter.

Remarquons encore que les observations du ciel à l’aide d’une lunette ne furent pas la seule contribution de Galilée à la science. Au début de sa carrière, l’astronome italien s’intéressa au problème du mouvement des corps sur Terre. Il montra, en étudiant le mouvement d’objets sur des plans inclinés, que les idées d’Aristote dans ce domaine étaient également erronées.

Le philosophe grec pensait qu’un corps isolé de toute influence extérieure devait forcément tendre vers l’absence de mouvement. Galilée montra par ses expériences que cela était faux et qu’un tel objet allait en fait continuer à se mouvoir à une vitesse constante.

Isaac Newton allait reprendre cette idée et en faire l’une de ses lois du mouvement.