L'ASTRONOMIE AU XVIIIE

L'astronomie au XVIIIe siècle

Prémisses

Copernic (1473-1543) en proposant le modèle héliocentrique jette les bases de l'astronomie moderne, mais c'est Galilée (1564-1642)-qui en fera la promotion. Son procès fut une fort bonne publicité. Contester une théorie la rend finalement plus plausible ! Il fit d'importantes découvertes mais ne pu pas prouver que la Terre tourne. Kepler (1571-1630) ,contemporain de Galilée fut le premier à établir des lois mathématiques relatives au mouvement des planètes sur lesquelles Newton (1643-1727) s'est basé pour construire une théorie complète du mouvement en supposant une loi universelle de la gravitation ; une hypothèse qui n'a jamais été réellement prouvée mais qui fonctionne bien. On voit donc qu'il a fallut plus de 150 ans pour établir une théorie du mouvement des planètes à partir du modèle de Copernic.

Début du XVIIIe siècle

Au début de ce siècle, en France, les idées de Descartes dominent encore et les astronomes n'adoptent pas les idées de Newton. Les forces sont régies par des tourbillons peu modélisés mathématiquement. Il ne permettent aucun calcul précis du mouvement des planètes. La méthode Newton n'est pas acceptées. Le traité de Newton (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), publié en 1687 .), entièrement exposé selon des démonstrations géométriques est fort difficile à utiliser. Il faudra attendre Clairaut (1713-1765) presque 80 ans pour donner une théorie analytique des lois du mouvement ce qui fut enfin acceptée dans le monde scientifique.

La création des académies en France, Angleterre, Prusse et Russie fut un pas essentiel pour la diffusion des idées scientifiques en publiant régulièrement des compte redus des assemblées et des articles des membres dans la langue courante et plus en latin comme jusqu'alors. On peut regretter l'usage de cette cette langue universelle qui fut maintenue seulement en Allemagne. Le français fut cependant dominant au XVIIIe siècle. Jusque là les échanges se faisaient uniquement par courrier postal, même des rencontres étaient rares ? Kepler et Galilée ne se sont jamais rencontrés mais ils ont beaucoup correspondu. Un autre facteur fut le développement rapide des instruments de mesure et d'observation qui ont conduit à de nombreuses découvertes. Galilée a utilisé une lunette, Kepler en fit la théorie et proposa une nette amélioration, Newton inventa le télescope et les français ont construit des instruments très performants.

Les Cassini

Jean-Dominique Cassini (1625-1712), d'origine italienne, et ses descendants ont fortement contribué à l'épanouissent de l'astronomie et de la géodésie en France au XVIIIe siècle. D'abord cartésiens ils on fini par adopter la théorie newtonienne sous l'impulsion de Jacques Cassini (1677-1756) son fils, qui était aussi membre de l'académie anglaise où ils se rendit plusieurs fois et rencontra Halley (1646-1752) et Maclaurin (1698-1746), disciples de Newton. Les autres descendants furent surtout renommés pour l'établissement de la carte de France initiée par Jean-Dominique et son fils. Les nimbre d'articles des Cassini dans les comptes rendus de l'académie royale des sciences en France est considérable. Des relations détaillées des observations, éclipses, comètes, conjonctions, mouvement des planètes, géodésie mais très peu de théorie du mouvement. C'est en 1740 seulement que Jacques Cassini proposa une théorie de la perturbation de l'orbite de Saturne par l'attraction de Jupiter selon les principes de Newton, mais il ne put en donner une théorie mathématique. Il fallut attendre Laplace et Lagrange vers 1760 pour donner une résolution analytique partielle de ce problème dit « problème des trois corps, ici le Soleil, Saturne et Jupiter). Actuellement le problème de n corps se résout de façon numérique sur ordinateurs. La résolution analytique du problème est impossible, les équations sont pratiquement impossibles à résoudre.

Le début de la mécanique céleste

La France a fortement contribué à développer la théorie du mouvement des corps dont celui des planètes ou mécanique céleste. Voltaire et son « amie » Madame du Châtelet on traduit (1756) et diffusé l'ouvrage de Newton en France. Très vite publié par Clairaut qui en donne une version analytique qui fut décisive pour être adoptée et appliquée de façon pratique. Elle se base sur la théorie des fluxions de Newton et le calcul différentiel de Leibniz. Newton a sans doute utilisé cette méthode mais trop révolutionnaire pour être explicitée dans son traité. Il se borna à la publier pour la résolution de problèmes mathématiques relativement simples. Leibniz non plus. Clairaut (1713-1765) applique la méthode pour une résolution approchée du problème de trois corps, une théorie de la Lune et des comètes etc. Ils sera suivi par Euler, Laplace, Lagrange, Legendre et bien d'autres. A la fin du siècle Delambre publia un traité très diffusé dans ce domaine mais sans nouvelles applications. C'est le traité de Lagrange qui fait encore le plus autorité en jetant les bases de la mécanique analytique.

La carte de France et la figure de la Terre

La forme, ou figure de la Terre préoccupa beaucoup les savants et les navigateurs au XVIIIe siècle. Elle est liée à la détermination des longitudes et latitudes des lieux, d'où son importance. La mesure de son aplatissement (ou du contraire) se faisait par la mesure d'un arc de méridien terrestre à différentes latitudes. Newton en avait fait la théorie et déduit que la Terre est aplatie par l'effet de la force centrifuge. J-D Cassini et son fils ont entreprit une mesure du méridien par triangulation du Nord au Sud de la France au début du siècle. On imagine les péripéties d'une telle entreprise qui fut relatée dans les mémoires de l'académie. Ascension de montagnes, mesures aux sommets de clochers, construction de repères etc. de plus, avec les conditions parfois précaires du voyage, parfois de nuit, avec un matériel conséquent et fragile. Cela prit un an mais il reviennent de Perpignan à Paris en cinq jours. Cependant ils déduisent de leurs mesures que la Terre n'est pas aplatie mais plutôt oblongue suite à des erreurs de calcul mais pas de leurs mesures. L'académie décida donc d'organiser deux expéditions, en Laponie et a Pérou pour mesures des arcs de méridien le plus près possibles du pôle Nord et de l'équateur. Ces deux expéditions furent mémorables ; des relations, voire des romans leurs sont consacrés mais rien n'égale les articles originaux dans les comptes-rendu et les livres des « explorateurs ». Maupertuis qui dirigea l'expédition en Laponie ( et revint avec une maîtresse lapone !) donna une valeur de l'aplatissement fort proche de la réalité. Ce travail donne aussi une valeur plus exacte du diamètre de la Terre. Une gravure représentant Maupertuis aplatissant la terre est fort amusante. Quand on décida, lors de la révolution, de mesurer les distances en se basant sur le système métrique, on définit le mètre par rapport à la longueur totale du méridien terrestre. On organisa donc une nouvelle expédition pour mesurer cette longueur de façon plus précise de Dunkerque à Barcelone. On imagine les déboires de Delambre et Méchain pour cette tâche effectuée pendant la révolution. Ils furent plusieurs fois pris à parti par les Sans-culotte pensant qu'ils s'agissait d'espions avec leurs instrument d'observation.

Méchain partit de Barcelone et Delambre de Dunkerque et ils devaient faire la jonction à Rodez. Un accident de Méchain faillit compromettre leur mesure mais elle fut cependant décisive afin d'établir le metre étalon conservé a Paris qui fut longtemps utilisé internationalement. Actuellement la définition est basée sur la longueur d'onde d'une raie spectrale.

Parallèlement on fit la première carte de France, dite de Cassini, établie par les descendants de Jean-Dominique durant tout le siècle et qui fit l'objet de nombreuses publications. La mesure suivant un parallèle de Brest à Strasbourg, révéla que le royaume était plus petit que l'on ne pensait à la grande déception du roi.

Les Passages de Vénus

Le passage de Vénus sur le disque solaire ou transit permet de mesure la grandeur de l'orbite terrestre et des autres planètes en appliquant la troisième loi de Kepler. Halley imagina une méthode basée sur la mesure de la durée du transit observée en différents endroits de la Terre, les plus éloignés les uns des autres possible. Deux passages eurent lieu au XVIIIe en 1761 et 1769, les passages ayant lieu par paires, tous les 122 ans. En 1761 les français envoyèrent plusieurs astronomes pour faire cette mesure. Le Gentil à Pondichéry au Indes, Chappe en Sibérie, Pingré à l'île Rodrigues au large de Madagascar, Cassini de Thury à Vienne pour une observation partielle et Lalande resta à Paris. D'autres pays organisèrent aussi différentes campagnes. Le but de ces expéditions étaient plus une question de prestige que vitale. La guerre de Sept Ans (1756-1763) contre les anglais posa de réels problème pour la sécurité de la navigation.

Le Gentil suite à la prise de Pondichéry était en mer lors du transit et ne put faire aucune mesure. Il décida de rester sur place pour observer le passage suivant, Pondichéry ayant été repris par les français. Il fit de nombreuses observations, notamment sur la nature. Mais le transit suivant fut caché par les nuage ! Quant il revint finalement en France, on le croyait mort et ses descendants avaient déjà hérité de ses biens. Il mit un certain temps à les récupérer, se maria et passa une vieillesse heureuse.

Chappe traversa le Sibérie sous les ordres de la Tsarine Catherine II. Son expédition jusqu'à Tobolsk en pleine Sibérie à deux mois de Moscou fut un succès. Il fit aussi une relation très détaillée des mœurs des russes qualifiés d'arriérés qui fit scandale et contesté évidemment par l'impératrice. Ce voyage fut d'ailleurs épique.

Pingré eut un voyage plus tranquille jusque dans l'océan indien. Il fut bien accueilli dans l'île de Rodrigues par une toute petite garnison française sous les ordres d'un gouverneur qui avait un fille très charmante. Pingré eu le temps de cartographier cette île quasi déserte et il fit de très bonnes mesures du transit.

Rassembler toutes ces mesures et d'en tirer les conclusions furent l'objet d'un travail de Lagrange, mais les résultats furent décevants car la difficulté des observations, notamment de la mesure précise du temps, et l'imprécision du moment de l'immersion de la planète sur le bord du Soleil. La grandeur apparente de Vénus par rapport au Soleil est presqu'un celui d'bout d'allumette. Les astronomes faisaient évidemment usage d'un télescope.

Pour le passage de 1769, Chappe fut envoyé en Basse Californie, espagnole, mais alliée aux français. Des officiers espagnols l'on bien aidé. Il traversa l'isthme de Panama en carrosse et à pied. Les mesures furent excellentes, mais une épidémie de typhoïde décima l'expédition et Chappe d'en réchappa pas. Des survivants purent rapporter les résultats à Paris.

Pingré fut envoyé à Saint-Domingue mais le but de l'expédition était surtout de vérifier la bonne marche des horloges marines.

Le problème des longitudes

La détermination de la longitude d'un lieu est évidemment essentiel, surtout pour le navigation, les cartes de cette époque étant très approximatives. Contrairement à la latitude qui se mesure facilement par la hauteur des étoiles et de la polaire en particulier, cette mesure a fait l'objet de différentes méthodes mais toujours basée sur la mesure de l'heure. Connaissant l'heure de Paris, par exemple, et l'heure locale, la différence donne la longitude. La difficulté est donc la connaissance de l'heure de Paris quand on se trouve dans un lieu éloigné à plusieurs jours de navigation. L'estime n'est plus suffisamment précise.

Les premières méthodes relativement précises consistaient à connaître l'heure d'un phénomène astronomique qui s'observe simultanément à Paris à l'endroit où l'on se trouve. Il faut des tables suffisamment précises donnant l'heure du phénomène. Ptolémée déjà avait établi des tables de la Lune qui permettait de déterminer la position des étoiles avec assez de précision mais il ne précise rien quant aux longitudes. La mesure des angles entre la Lune et des étoiles permettent donc de déterminer l'heure de Paris en mer, connaissant les positions des étoiles et de la Lune et leur distance angulaire. Cette mesure est cependant délicate et entachée d'imprécisions mais elle fut longtemps utilisée dès la fin du XVIIe siècle. Elle nécessite cependant des calculs assez compliqués.

Un autre phénomène est les passages et les éclipses des satellites de Jupiter. Les tables sont précises mais l'observation au télescope de ces phénomènes en mer est très délicate et dépend aussi de la visibilité de Jupiter, moins de 7 mois par an et parfois très bas sur l'horizon.

La méthode la plus directe et indépendant de l'observation des astres est de conserver l'heure de Paris avec des horloges qui reste fiables en mer malgré le mouvement des navires. Les anglais avaient même décidé d'offrir une prime de 20.000 livres pour l'inventeur d'un instrument fiable. Après de nombreuses tentatives Harrison réalisa en 1761 un chronomètre en inventant le ressort à spirale encore utilisé pour les montres. Bertoud, en France fabriqua aussi des chronomètres valables qu'il testa avec un succès relatif lors du voyage à Saint-Domingue avec Pingré en 1769. ce voyage quasi sur un parallèle comportait une forte variation de longitude. Jusqu'à l'invention du GPS ce fut la méthode utilisée pour la détermination de la longitude. La télégraphie modifia, évidemment, considérablement, la connaissance de l'heure d'un lieu éloigné. Une horloge basée à Francfort émet encore des signaux donnant l'heure avec une très grande précision.

Les observations

Les télescopes et les lunettes deviennent de plus en plus performants et les découvertes sont très nombreuses. Le micromètre est inventé à la fin du XVII et se perfectionne régulièrement grâce à son éclairage. Il va permettre des mesures très précises des positions des étoiles et l'établissement de catalogues de plus en plus exacts. Flamsteed ajoutera un numéro aux étoiles des constellations qui ne se trouvent pas dans le catalogue de Bayer qui désigne les plus plus brillantes par des lettres grecques.

Messier va observer une centaines d'objets du ciel profond et les numéroter, de M1 à M110

Cassini découvre des satellites de Saturne.

William Herschel construit de ses propres mains un télescope très performant. Il découvre, par hasard la planète Uranus. Et ensuite deux de ses satellites. Il observe les calottes polaires de Mars

Bradel va mesurer la parallaxe d'une étoile qui permet de mesure sa distance en fonction de la grandeur de l'orbite de la Terre récemment évaluée.

De nombreuses comètes on été découvertes. Le retour de la comète de Halley a confirmé que c'était des objets en orbite autour du Soleil.

Un petit résumé (Wikipédia) :

    1704: Ole Christensen Rømer améliore la technique du cercle méridien.

    1705 :Edmund Halley remarque la similitude des paramètres orbitaux des comètes observées en 1531, 1607 et 1682 et déduit qu'il s'agit du même objet (aujourd'hui appelé comète de Halley), dont il prédit le retour en 1758.

    1717 : Observation des mouvements propres de quelques étoiles (Sirius et Arcturus) par Edmund Halley.

    1719 : Fin du traçage du méridien de Paris, de Dunkerque à Collioure.

    1725 : La version définitive de Historia coelestis Britannica de John Flamsteed est publiée après sa mort. Introduction de la désignation de Flamsteed pour les étoiles les plus brillantes des constellations.

    1728 : James Bradley découvre l'aberration de la lumière sans rendre publique sa découverte.

    1735 : Expéditions françaises au Pérou et en Laponie pour mesurer l'aplatissement de la Terre.

    1747 : Pierre Louis Moreau de Maupertuis énonce le principe de moindre action.

    1750 : Thomas Wright explique la Voie lactée comme étant une multitude d'étoiles qui s'étend au loin dans une structure en forme de disque vu par la tranche.

    1758 : Charles Messier croit observer le retour de la comète de Halley, qu'il confond avec la Nébuleuse du Crabe. Sa méprise l'incite à compiler le premier catalogue d'objets célestes non stellaires, le catalogue Messier.

    1759 : Retour de la comète de Halley, prédit par Edmund Halley et calculé plus précisément par Alexis Claude Clairaut, Jérôme Lalande et Nicole-Reine Lepaute. Première observation le 25 décembre 1758 par Johann Georg Palitzsch.

    1761 : Mikhaïl Lomonossov découvre que Vénus possède une atmosphère.

    1771 : Charles Messier entame le catalogue qui porte aujourd'hui son nom.

    1775 : Tobias Mayer publie la première carte de la Lune.

    1781 : William Herschel découvre une nouvelle planète, Uranus, dont le nom est proposé par Johann Bode

    1784 : Charles Messier publie dans Connaissance des Temps son catalogue Messier, achevé trois ans plus tôt. C'est le premier catalogue d'objets non stellaires.

    1787 : William Herschel découvre Titania et Obéron, satellites d'Uranus

    1788 : Joseph-Louis Lagrange publie la Mécanique analytique.

    1789 : William Herschel découvre Encelade satellite de Saturne

    1791 : Méchain et Delambre terminent la détermination d'un quart de méridien terrestre.

    1796 : Le Marquis de Laplace émet l'hypothèse selon laquelle le système solaire serait issu d'une nébuleuse en rotation dans Exposition du système du monde.

    1799 : Laplace publie les deux premiers tomes de la Mécanique céleste

Des romans que j'ai bien aimés

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Arthur Koestler, les Somnambules

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Arkan Simaan, La science au péril de sa vie

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                      la méridienne

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Jean-pierre Luminet, les bâtisseurs du monde

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Ken Adler, Mesurer le Monde

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Une excellente référence en anglais

A.Pannekoek, A history of Astronomy (non traduit)

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et Wikipedia, bien sûr.