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Histoire, astronomie et littérature

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Une brève histoire chronologique de l'astronomie du système solaire

Sommaire :

De l'aube de l'humanité au début du Moyen Âge
Le Moyen Âge
De la Renaissance à la fin du 17^ème siècle
Le 18^ème siècle
Le 19^ème siècle
Le 20^ème siècle
La conquête spatiale
Aujourd'hui et demain

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Introduction

 

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

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

 

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

L'antiquité préclassique

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

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

L'antiquité grecque classique

L'antiquité classique fut marquée par l'extraordinaire avancée due aux philosophes et aux astronomes grecs. C'est à ces savants grecs que nous devons notre conception actuelle de la démarche scientifique, celle de la quête désintéressée de connaissance et de compréhension. Les Grecs vont en effet dépasser l'aspect purement utilitaire de l'astronomie égyptienne ou babylonienne pour tenter de comprendre la nature et la structure de l'Univers.

On peut schématiquement diviser l'évolution de la science grecque en 3 grandes étapes :

 
• L'époque des présocratiques, celle des premiers balbutiements, où les idées, parfois contradictoires ou farfelues, fusent. Mais c'est à cette époque que naît la démarche scientifique faite de questionnements, d'argumentations, de preuves et de réfutations.
• L'école athénienne, dominée par la figure d'Aristote, qui va jeter, au travers de son oeuvre immense, les bases d'un modèle physique cohérent du monde qui fera autorité jusqu'à la fin du Moyen Âge.
• La science hellénistique, florissante à Alexandrie, où l'astronomie grecque va atteindre son apogée, et ce aussi bien dans le domaine de l'observation et de la mesure des distances que dans celui des théories mathématiques de mouvement des corps célestes.

 

• LES PRESOCRATIQUES

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

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

Au V^ème siècle avant J.-C., Empédocle divise le monde terrestre en 4 éléments distincts : Terre, Eau, Air et Feu.
Vers 434 avant notre ère, Anaxagore prétendait que le Soleil avait la taille du Péloponèse, soit environ 60 kilomètres. Contrairement à ce que supposera Eratosthène 200 ans plus tard, il devait considérer le Soleil comme étant proche de la Terre. Le calcul est alors bien différent ...

• 
  
  L'ECOLE ATHENIENNE

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

Aristote de Stagire (384-322 avant J.-C.), un disciple de Platon, précepteur d'Alexandre le Grand, peut sans doute être considéré comme le plus grand savant de l'Antiquité. Son oeuvre colossale, composée de plusieurs dizaines de volumes, abordera aussi bien l'astronomie, la physique que la botanique ou la médecine. Aristote va en particulier développer un modèle physique, fondé sur l'observation et la perception intuitive des phénomènes, dont l'influence sera déterminante pour les siècles à venir. Sa conception de l'Univers est basée sur 3 dogmes fondamentaux : 1) la Terre est immobile au centre de l'Univers, 2) il y a séparation absolue ente le monde terrestre imparfait et changeant et le monde céleste parfait et éternel (la limite étant l'orbite de la Lune), 3) les seuls mouvements célestes possibles sont les mouvements circulaires uniformes.

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

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

• 
  
  LA SCIENCE HELLENISTIQUE

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

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

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

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

Principe de l'épicycle

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

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

L'astronomie grecque va connaître son apogée au 2^ème siècle de notre ère avec l'astronome alexandrin Claude Ptolémée (100-170). Ptolémée va faire la synthèse de tous les travaux de ses prédécesseurs (en particulier Hipparque) et va les parachever en proposant un système physique et mathématique du ciel qui restera incontesté pendant près de 14 siècles. Tous les travaux astronomiques de Ptolémée sont quasiment regroupés dans un seul ouvrage majeur, la "grande syntaxe mathématique", plus connu sous le nom que lui donnèrent les Arabes : l'Almageste. L'Almageste reprend dans ses grandes lignes la vision aristotélicienne du monde physique, avec les mêmes dogmes et principes : dichotomie Terre/Univers, immobilité de la Terre, etc. Toutefois Ptolémée rejettera le modèle des sphères emboîtées et se placera dans la continuité des systèmes d'Apolonius et d'Hipparque. Il perfectionna cependant grandement ces modèles en introduisant la notion de point équant, un point fictif symétrique de la Terre par rapport au centre excentrique de l'orbite d'une planète. Le mouvement de cette dernière est alors circulaire autour de l'excentrique, mais uniforme autour du point équant. Par ailleurs, s'ajoutent à cela un ou plusieurs cercles épicycliques centrés sur ce premier cercle équant. Le système résultant est extrêmement complexe, mais d'une précision mathématique remarquable (le modèle de Ptolémée permet ainsi de prédire des éclipses de Soleil). La perfection de ce modèle fera qu'il ne sera globalement pas remis en cause avant le XVI^ème siècle.

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

II- Le Moyen Âge

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

L'astronomie arabe médiévale

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

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

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

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

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

 

L'essort de l'occident

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

 

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

La Renaissance

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

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

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

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

 

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

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

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

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

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

Le 17^ème siècle

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

IV- Le 18^ème siècle

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

La révolution française

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

Pierre-Simon de Laplace (1749-1827), astronome, mathématicien, physicien et homme politique ayant traversé sans dommage la période révolutionnaire, est le père de la mécanique céleste moderne. Il publia à partir de 1798 un traité de mécanique céleste synthétisant tous les travaux de Newton, Halley, Clairaut, d'Alembert, Euler. Dès 1796, il publia son "Exposition du système du monde" où il décrivit son modèle cosmogonique : le système solaire proviendrait d'une nébuleuse primitive se condensant sous l'effet du refroidissement et de la rotation de l'ensemble. Il publia aussi un grand nombre de lois nouvelles mathématiques et physiques. Laplace va conclure le 18^ème siècle brillamment : les outils sont en place et la porte est ouverte pour de nouveaux progrès.

V- Le 19^ème siècle

 

Le premier janvier 1801, Giuseppe Piazzi (1746-1826) découvre une nouvelle planète qu'il nomme Cérès entre Mars et Jupiter. On crut avoir trouvé la planète manquante entre Mars et Jupiter mais en 1802, 1804 et 1807 on en découvrit d'autres que l'on nommera Pallas (découvert par Olbers), Junon (découvert par Harding) et Vesta (découvert par Olbers). C'étaient les premières "petites planètes" d'une longue liste (plus de 15 000 aujourd'hui), appelés ultérieurement "astéroïdes".

La découverte de Neptune et le triomphe de la mécanique céleste

Après la découverte d'Uranus par Herschel en 1781, on fit des tables de positions de cette planète à partir des observations et des lois de la mécanique céleste, mais, en 1821, Alexis Bouvard (1767-1843) constata que la planète s'éloignait étrangement de sa trajectoire calculée, bien au-delà de la marge d'erreur possible des calculs. Il apparut alors qu'un corps étranger devait perturber le mouvement de la planète Uranus. En Angleterre, John Adams (1819-1892) entreprit de déterminer la position de ce corps à partir de l'analyse théorique des écarts entre observations et calculs. A la même époque Urbain Jean-Joseph Le Verrier (1811-1877), à Paris, effectua la même analyse. Les deux hommes parvenaient à la conclusion qu'une planète plus éloignée qu'Uranus perturbait cette dernière. Adams ne fut cependant pas pris au sérieux par Airy, alors directeur de l'observatoire de Greenwich alors que Le Verrier demandait à Johann Galle de l'observatoire de Berlin d'utiliser son nouveau réfracteur puissant pour observer à la position qu'il avait calculé : le 23 septembre 1846, Galle découvrit effectivement une planète nouvelle là où Le Verrier l'avait prévu grâce aussi aux cartes célestes qu'il était le seul à avoir et qui lui indiquèrent qu'il y avait bien un astre nouveau à l'emplacement prévu. La découverte de la planète Neptune consacra la puissance de la mécanique céleste newtonienne.

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

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

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

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

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

L'avènement de techniques d'observation nouvelles

A partir de 1812, des travaux effectués sur la lithographie amenèrent la découverte des techniques photographiques. Nicéphore Niepce (1765-1833) et Jacques Daguerre (1787-1851) mirent au point la réalisation d'images sur plaques de cuivre qui furent plus tard remplacées par des plaques de verre. L'application de la photographie à l'astronomie fut réalisée vers 1850. Ce fut le Soleil et la Lune qui furent les premiers astres photographiés mais l'amélioration de la sensibilité montra tout le partie que l'on pouvait tirer de la photographie. Les mesures que l'on faisait auparavant sur le ciel à l'aide de micromètres pouvaient être faites après les observations sur les plaques photographiques; les observations étaient conservées pour une utilisation ultérieure. En 1887 un grand projet international vit le jour, le projet de "la Carte du ciel" qui consistait à réaliser une couverture photographique globale du ciel à l'aide d'instruments spécifiques. Pour cela on construisit des astrographes doubles dont l'objectif photographique était de 33 cm d'ouverture et la longueur focale de 3 mètres 33 cm (l'échelle des clichés étaient ainsi de une minute de degré par millimètre). De nombreux observatoires furent équipés et commencèrent à photographier tout le ciel. A Paris, le projet fut réalisé sous l'impulsion de l'amiral Ernest Mouchez, directeur de l'observatoire de Paris de 1878 à 1892. Cette opération ne fut pas menée à son terme mais le grand nombre de clichés réalisés est encore utile aujourd'hui.

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

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

La construction de nouveaux observatoires

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

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

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

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

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

Les découvertes du 19^ème siècle

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

La planète Mars

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

Les satellites des grosses planètes

Les nouveaux instruments permirent de détecter de nouveaux satellites auprès des planètes géantes : l'astronome anglais William Lassell (1799-1880) découvrit Triton, le satellite de Neptune, la même année (1846) que la découverte de la planète elle-même. Il découvrit aussi, en 1848, le satellite de Saturne Hypérion et, en 1851, deux nouveaux satellites d'Uranus, Ariel et Umbriel. William Pickering (1846-1919) découvrit un nouveau satellite de Saturne, Phoébé en 1898. L'astronome américain Edward Barnard (1857-1923), découvrit le satellite Amalthée, cinquième satellite de Jupiter, très près de la planète, en 1892.

La composition des anneaux de Saturne

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

L'orbite de la Terre

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

La vulgarisation scientifique

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

VI- Le 20^ème siècle

 

Comme nous l'avons vu, le 20^ème siècle vit l'arrêt de la construction des grands réfracteurs et l'avènement des télescopes réflecteurs. La spectroscopie naissante allait permettre de connaître la composition chimique des astres observés : elle allait prendre un essor considérable et, par contrecoup, la mécanique céleste et l'astrométrie allaient subir une éclipse de quelques 50 ans : tout paraissait avoir été trouvé et la précision obtenue dans la détermination des mouvements suffisante. Pourtant, la mécanique newtonienne allait subir un échec. Déjà Le Verrier avait remarqué que Mercure s'écartait de sa trajectoire calculée. Les mêmes causes devant produire les mêmes effets, Le Verrier chercha un corps perturbateur entre Mercure et le Soleil. Il le baptisa même Vulcain et supposa que la présence proche du Soleil empêchait son observation. Malheureusement, aucun corps perturbateur ne pouvait expliquer parfaitement le fait que le périhélie de Mercure avançait plus vite que ne le prévoyait la théorie.

La théorie de la relativité générale

Déjà, à la fin du 19^ème siècle, le mathématicien français Henri Poincaré (1854-1912), auteur de travaux fondamentaux en mécanique céleste théorique, avait réalisé la portée de la vitesse finie de la lumière. Il faudra attendre qu'Albert Einstein (1879-1955), physicien allemand, publie sa théorie de la relativité restreinte en 1905 et sa théorie de la relativité générale en 1915 pour comprendre le bouleversement qui affecte ainsi notre vision de l'univers. La théorie de la relativité générale donnait une théorie globale de la mécanique qui allait expliquer les incohérences auxquelles on était confronté alors.
En 1916, Karl Schwarzschild (1873-1916), physicien allemand, démontre que la théorie de la relativité générale explique parfaitement l'excès d'avance du périhélie de Mercure, prouvant ainsi la réalité physique de la relativité générale. Un autre effet devait être observable : le Soleil devait dévier les rayons lumineux venant des étoiles lointaines, mais l'effet ne pouvait en être observé que près du Soleil. A partir de 1919, on utilisa les éclipses totales de Soleil pour mesurer cette déviation qui fut effectivement constatée.

L'organisation de l'astronomie mondiale

En 1919, l'Union Astronomique Internationale fut créée pour unifier la nomenclature des objets astronomiques (en particulier l'UAI définira les constellations d'une manière unique et leur donnera des noms latins admis par tous) et pour édicter des recommandations pour l'utilisation de telle ou telle constante afin que les travaux réalisés à travers le monde puissent être comparés plus aisément. L'Union Astronomique Internationale se réunira tous les trois ans dans un pays différent : elle prit rapidement une importance majeure pour permettre les collaborations entre les différents pays, importance qu'elle a gardée aujourd'hui.

En 1911, s'est tenu le congrès international des éphémérides qui partagea les tâches entre les différents bureaux d'éphémérides, principalement entre le Bureau des longitudes français, l'observatoire naval de Washington D.C. et le Royal Greenwich Observatory. On décida aussi de choisir un méridien d'origine pour l'ensemble des pays comme l'avait recommandé la conférence de Washington D.C. dès 1886 : ce fut le méridien de Greenwich qui fut choisi et adopta également le principe de choisir le système métrique comme système de mesure international.

Les progrès de l'astronomie du début du 20^ème siècle

Les travaux concernant la mécanique céleste et l'étude du système solaire se ralentirent durant la première moitié du 20^ème siècle. L'étude des galaxies, pour lesquelles l'américain Edwin Hubble (1889-1953) mit en évidence l'éloignement systématique qui indiquait un univers en expansion, fit des progrès prodigieux.

Le fonctionnement du Soleil et des étoiles

Au cous du 19^ème siècle, diverses explications avaient été données pour le fonctionnement du Soleil. Celui-ci se devait d'être au moins aussi vieux que la Terre, mais les explications ne permettaient pas de faire briller le Soleil longtemps. Un énorme tas de charbon en combustion n'aurait pas duré plus de quelques siècles et la simple énergie gravitationnelle due à la masse énorme du Soleil n'aurait rayonné de l'énergie que pendant quelques millions d'années. Il faudra attendre 1920 pour que l'idée de la transmutation nucléaire et la transformation de masse en énergie deviennent une conséquence de la théorie d'Einstein. C'est vers la fin des années 1930 que la nucléogénèse formant les éléments chimiques à partir d'hydrogène commence à être expliquée.

La radioastronomie

Les ondes radio avaient été mises en évidence dès 1886 par Hertz (1857-1894). Les astres pouvaient-ils émettre des ondes radio ? Henri Deslandres, astronome français, directeur de l'observatoire de Paris, supposa que le Soleil pouvaient en émettre mais il fallut attendre 1932 pour qu'un signal de période 23 heures 56 minutes 4 secondes venant de l'espace, soit reçu lors d'une expérience de transmission entre la Grande-Bretagne et les Etats-Unis par l'ingénieur américain Karl Jansky (1905-1950). Ce signal venait en fait du centre de la galaxie.

La coronographie

La couronne solaire ne pouvait être observée que durant les éclipses totales de Soleil, ce qui limitait grandement la durée des observations. L'astronome français Bernard Lyot (1897-1952) imagina, en 1930, d'observer la couronne solaire en permanence au moyen d'un système appelé coronographe qui, occultant le disque solaire, permettait l'observation souhaitée. C'est au Pic du Midi où le ciel est particulièrement pur et limite les effets de la diffusion de la lumière que les premières observations furent réalisées. Cette technique fut appliquée par la suite à l'observation d'astres faibles près d'astres brillants.

Les moyens d'observation de la première moitié du 20^ème siècle

Le développement des télescopes en remplacement des grands réfracteurs avait mis en lumière la petitesse du champ utile de ces instruments. Aussi, en 1931, l'opticien allemand Bernhard Schmidt (1879-1935) apporta une solution pour augmenter le champ d'un télescope : il introduisit une lame correctrice, dite lame de Schmidt, destinée à corriger l'aberration de sphéricité induite par le miroir primaire de forme sphérique. Ce dispositif permit d'obtenir des images excellentes sur des champs très étendus, jusqu'à dix degrés. Depuis lors, de nombreux télescopes de Schmidt ont été installés dans le monde, le plus grand de tous ayant été construit vers 1950 à l'Observatoire du Mont Palomar, avec une lame de Schmidt de diamètre égal à 120 centimètres pour un miroir principal sphérique de 180 centimètres d'ouverture. Ces télescopes ont été principalement utilisés pour la réalisation d'atlas photographiques très détaillés, tant pour l'hémisphère boréal avec le Palomar Sky Survey durant les années cinquante, que pour l'hémisphère austral, avec l'ESO Sky Survey de 1972 à 1978, atlas aujourd'hui numérisés et servant de référence pour les catalogues nouveaux. Ils ont été également utilisés pour la recherche et le suivi d'astéroïdes et de comètes. Signalons aussi dans le domaine de l'observation astrométrique, la mise au point en 1951 par André Danjon (1890-1967), directeur de l'observatoire de Paris, de l'astrolabe impersonnel, permettant de mesurer le passage d'une étoile de magnitude maximum 6 à la hauteur de 60° avec une précision de 0,1 seconde de degré.

La nature des comètes

En 1950, Fred Whipple, astronome américain, fait l'hypothèse que les noyaux cométaires sont des boules de neige mélangée à de la poussière. L'eau se sublime sous l'action du Soleil créant les queues cométaires si particulières. En 1951, l'astronome Ludwig Biermann (1907-1986) montra que les particules éjectées par les comètes étaient ionisées par des particules émises par le Soleil. On appellera ce flot de particules le "vent solaire" créant une pression de radiation pouvant modifier la trajectoire newtonienne des comètes. Ce vent solaire est aussi à l'origine des aurores boréales et australes sur Terre.

Les débuts de la conquête spatiale

Le 4 octobre 1957, le premier satellite artificiel de la Terre "Spoutnik 1" est lancé par la Russie, alors Union soviétique. Ce lancement fut le premier d'une longue série destinée à l'étude scientifique de l'espace proche ou plus lointain de la Terre, mais aussi à des fins militaires. L'état de guerre froide entre les Etats-Unis et la Russie soviétique exacerba la concurrence. Le développement de lanceurs capables de mettre en orbite des charges de plus en plus lourdes permit d'envoyer des sondes équipées d'appareils scientifiques pouvant photographier et analyser l'environnement terrestre, puis, bien sûr, celui de la Lune et des planètes. La Lune fut le premier objectif. Tout d'abord des sondes comme les Luna russes ou les Ranger américains survolèrent et percutèrent la Lune. Luna 9, le 3 février 1966 puis Surveyor 1 le 2 juin 1966 se posèrent en douceur et retransmirent des images de la surface lunaire. Mais le défi le plus audacieux consista en l'envoi d'hommes dans l'espace. Devancés par les soviétiques dans la course à l'espace, les américains se lancèrent le défi d'envoyer des hommes sur la Lune avant la fin des années 1960. Ce fut le programme Apollo et l'avènement de la fusée Saturne 5, un lanceur très puissant pouvant mettre plusieurs dizaines de tonnes en orbite autour de la Terre. Le 20 juillet 1969, deux astronautes américains foulèrent le sol de la Lune lors de la mission Apollo 11 : ils furent suivis par 6 autres missions jusqu'en décembre 1972. 300 kg de roches lunaires furent ramenés sur la Terre permettant de dater l'origine du système solaire à 4,56 milliards d'années. L'homme n'est pas retourné sur la Lune depuis cette date.

L'envoi d'hommes sur la Lune ou dans l'espace ne correspond pas à une nécessité scientifique, mais à un défi technologie qui marque les esprits. Aussi, les plus grandes découvertes sur le système solaire vinrent des nombreuses sondes automatiques qui furent envoyées par la suite vers les planètes et leurs satellites. Ainsi, le 19 mai 1961, la sonde russe Venera 1 survole la planète Vénus, suivie de la sonde américaine Mariner 2 le 14 décembre 1962. Le 15 décembre 1970, la sonde Venera 7 fera un atterrissage en douceur sur le sol de Vénus et émettra pendant de courts instants. Le premier survol de la planète Mars eu lieu le 15 juillet 1965 par la sonde Mariner 4 et le premier atterrissage eu lieu le 2 décembre 1971 avec la sonde Mars 3. L'absence de canaux sur Mars fut confirmé par les photographies prises lors des survols de la planète. C'est la sonde Mariner 10 qui survola Mercure dès le 29 mars 1974 révélant son aspect lunaire. La planète Jupiter, plus lointaine, était plus difficile à atteindre et il fallut attendre la fin de 1973 pour que la sonde Pioneer 10 envoie des images prises à 130 000 kilomètres. Pioneer 11 s'approcha à 42 000 kilomètres le 2 décembre 1974. Afin d'optimiser les vols vers les planètes lointaines, on eut l'idée d'utiliser les configurations favorables des planètes ainsi que le rebond gravitationnel produit sur une sonde lors de son passage près d'une planète. Ainsi naquit l'idée du "grand tour" qui aurait permis à une même sonde de survoler Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune et Pluton. Cette idée se concrétisa dans le projet "Voyager" : deux sondes furent envoyées vers Jupiter. Voyager 1 fut lancée le 5 septembre 1977 et atteignit Jupiter le 5 mars 1979; Voyager 2, lancée le 20 août 1977 atteignit Jupiter le 9 juillet 1979. Ces sondes effectuèrent une moisson de données inégalées et découvrirent, en particulier, l'intense volcanisme de Io. La planète Saturne fut survolée le 1 septembre 1979 par Pioneer 11, puis par les sondes Voyager 1 et 2, respectivement le 12 novembre 1980 et le 26 août 1981. Seule la sonde Voyager 2 continua son voyage jusqu'à Uranus qu'elle atteignit le 24 janvier 1986, puis vers Neptune qu'elle survola le 24 août 1989. Douze ans de voyage avaient été nécessaire. Malheureusement, pour des raisons budgétaires, le vol vers Pluton ne fut pas programmé. Enfin, en 1985 la sonde américaine ICE survola la comète Jacobini-Zinner et en 1986, les sondes Giotto de l'Agence Spatiale Européenne, Vega d'Union soviétique, Suisei et Sakigake du Japon, survolèrent la comète de Halley. Il faudra attendre la sonde Galileo en 1991 pour qu'un astéroïde, Gaspra, soit visité, puis en 1993 l'astéroïde Ida, révélant du même coup un plus petit astéroïde satellisé autour d'Ida. Le Soleil ne fut pas oublié grâce à la sonde Ulysses qui survola les pôles du Soleil difficilement observables depuis la Terre et aux satellites d'observation européen Soho et japonais Yohkoh.

D'autre part, à côté de l'exploration du système solaire par l'envoi de sondes, des télescopes furent placés en orbite autour de la Terre permettant de s'affranchir de l'atmosphère terrestre et donc d'obtenir des images dont la résolution était celle du télescope ainsi que de collecter des rayonnements (en infrarouge par exemple) que l'atmosphère arrête. Le lancement en 1990 du télescope optique spatial Hubble de 2,4 mètres d'ouverture a permis d'obtenir des résultats spectaculaires.

Le renouveau des observations au sol dans la deuxième moitié du 20^ème siècle

A côté des explorations spatiales, des découvertes sont faites à partir des observations au sol : en 1963 on découvre les quasars; en 1964 le rayonnement du fond de ciel à 3K, rayonnement fossile qui vient confirmer la théorie du big-bang née vers le milieu du 20^ème siècle, suite à l'observation de l'expansion de l'univers. En 1967, c'est la découverte des pulsars.

En astrométrie, un effort fut fait pour mettre en place de nouveaux catalogues d'étoiles. Le but était de définir un système de référence fiable où les mouvements propres des étoiles seraient définis et dans lequel le mouvement de la Terre serait pris en compte correctement par l'intermédiaire d'un système de référence dynamique où tous les corps du système solaire interviennent. Les catalogues matérialisent un repère concrétisant le système de référence choisi. Comme références, citons le Fundamental Katalog FK3 en 1938 contenant 1587 étoiles, suivi du FK4 en 1960 et du FK5 en 1990. Ces catalogues servirent de référence aux catalogues plus fournis tels que l'AGK3 en 1960 ou le Smithonian Astrophysical Observatory Star Catalog (SAO) contenant 250 000 étoiles en 1966. Tous ces catalogues fournissent une précision de l'ordre du dixième de seconde de degré avec des erreurs de zones importantes dues aux difficultés de raccordement des différentes observations étalées dans le temps et dans l'espace. L'astrométrie au sol est maintenant limitée à la précision de 0,01 à 0,1 seconde de degré selon que l'on utilise des télescopes de Schmidt, des instruments à plus longue focale ou des instruments méridiens rénovés et automatisés. Il faudra attendre l'arrivée de l'astrométrie spatiale et du satellite européen Hipparcos en 1990 pour obtenir un catalogue de 100 000 étoiles ayant une précision meilleure que le millième de seconde de degré.

A partir de 1960, une nouvelle génération de radiotélescopes géants vit le jour : en Australie, une antenne de 64 mètres de diamètre est construite à Parkes, en France, un radiotélescope méridien est construit en Sologne à Nançay, aux Etats-Unis, à Arecibo dans l'île de Porto-Rico, un radiotélescope de 300 mètres de diamètre est construit en 1963.

En 1962, constatant que c'est surtout l'hémisphère nord qui est bien équipé en moyens d'observations, les Européens décident de construire un observatoire au Chili, dans la cordillère des Andes sur le Cerro La Silla. C'est la naissance de l'ESO (European Southern Observatory ou Observatoire Européen Austral) qui sera équipé de 14 télescopes dont le plus puissant est un télescope de 3,60 mètres d'ouverture. A cette époque, lors des projets de construction de grands télescopes, on cherche des sites exempts de toute pollution lumineuse et assez en altitude pour pouvoir observer dans l'infrarouge. Les américains installèrent aussi un observatoire dans les Andes chiliennes. Déjà en 1947, les américains construisirent en Californie à 1800 mètres d'altitude sur le mont Palomar un télescope de 5 mètres de diamètre, le plus grand de l'époque, qui fut malheureusement vite gêné par les lumières de Los Angeles. En 1979, le site du Mauna Kea à Hawaï est investi par les astronomes. Son altitude (4200 mètres) lui conférait des qualités qu'il a conservé. Les astronomes français, canadiens et américains y installèrent un télescope de 3,6 mètres de diamètre qui fut suivi par bien d'autres. De leur côté, les astronomes russes installèrent un télescope de 6 mètres d'ouverture dans le Caucase à Zélenchuk mais eurent beaucoup de mal à le mettre au point. De multiples sites furent équipés aux Etats-Unis, en Australie et aux Canaries de télescopes de la classe des 4 mètres. En France, le Pic du Midi fut équipé d'un télescope de 2 mètres en 1979, l'observatoire de Haute Provence d'un télescope de 1,93 mètres en 1958. Leur modernisation dans les années 1980 leur permit de continuer à pratiquer des observations performantes. Près de Grasse, un télescope de Schmidt fut installé en 1974 et, sur le même site, des télescopes fonctionnèrent en mode interférométrique.

L'observation du Soleil ne sera pas oubliée : citons deux opérations importantes : la construction d'un télescope solaire à Sacramento Peak aux USA dans les années 1970 et celle du télescope français Thémis aux Canaries dans les années 1990.

Du côté des récepteurs, la plaque photographique rendit de grands services jusqu'à l'apparition des récepteurs électroniques. L'effet photoélectrique ayant un rendement quantique plus élevé que la plaque photographique, il devenait intéressant de l'utiliser en astronomie, particulièrement en photométrie. Des phénomènes difficiles à observer autrement que visuellement tels que les phénomènes des satellites de Jupiter, purent être observés au moyen de photomètres photoélectriques, au moment où l'apparition des calculateurs électroniques permettaient le calcul de phénomènes plus discrets mais très intéressants, les phénomènes mutuels. La photométrie photoélectrique servit aussi pour l'observation des étoiles variables et des astéroïdes dont les variations de flux lumineux au cours du temps révélaient leur forme. Les récepteurs CCD constitués d'une mosaïque de "pixels" sensibles reconstituant une image ont désormais remplacé la plaque photographique. Leur sensibilité 100 fois supérieure à celle des plaques photographiques ont permis à des télescopes de taille modeste de conserver un intérêt pour l'observation, surtout dans le cas des corps du système solaire en général assez brillants.
L'avènement des CCD permit de découvrir de nouveaux satellites autour des planètes, concurremment avec les sondes spatiales et les observations photométriques, principalement par occultation, permirent à des astronomes français de détecter les anneaux d'Uranus et de Neptune avant la sonde Voyager et à des astronomes professionnels et amateurs regroupés en réseau de mesurer la taille de certains astéroïdes avec la précision du kilomètre.

Les travaux théoriques

Un progrès technique qui fournit à l'astronomie des moyens nouveaux fut l'essor de l'informatique à partir des années 1960. Les calculs étaient jusqu'alors effectués à la main et l'arrivée des calculateurs électroniques changea complètement la façon de travailler. En mécanique céleste, les ordinateurs permirent de reprendre des travaux abandonnés du fait de l'ampleur des calculs à réaliser. De nouvelles théories analytiques très complètes furent construites en France au service des calculs et de mécanique céleste du Bureau des longitudes devenu aujourd'hui l'Institut de mécanique céleste tandis que les américains du Jet Propulsion Laboratory et de l'observatoire naval de Washington D.C. effectuaient des intégrations numériques du mouvement des planètes.

VII- Aujourd'hui et demain

 

Ce qu'on sait du système solaire - les futures missions spatiales

Depuis que la Lune a été explorée directement par des êtres humains et que des échantillons ont été rapportés sur Terre, elle suscite beaucoup moins l'intérêt des astronomes et du public. L'installation d'un télescope sur la Lune a été reporté : le Hubble Space Telescope rend des services inestimables pour moins cher. Un radiotélescope sur la face caché, protégé de la pollution hertzienne terrestre serait intéressant mais le coût en est prohibitif. La mission Clementine de cartographie de la Lune a eu lieu en 1994 et a fourni un relevé altimétrique complet de notre satellite. En 1998, Lunar Prospector a été mis en orbite polaire basse et mesure depuis cette date le champ magnétique lunaire ainsi que le champ de gravité. Il effectue des relevés cartographiques et cherche à détecter des dépôts de glace à la surface de la Lune. En 2002, une sonde japonaise Lunar Exploration Orbiter est prévue pour être satellisée et atterrir sur la Lune.

La planète Mercure ne fut survolée que 3 fois en 1974 et 1975. Les images retransmises nous ont révélé un sol très cratérisé et des variations de température entre ö170° sur la face opposée au Soleil (la nuit) et +430° sur l'autre face (le jour). Ces différences viennent de la longueur du jour de Mercure (176 jours terrestres) due à la résonance 3 : 2 qui fait que Mercure effectue 2 révolutions autour du Soleil et trois rotations autour de son axe dans le même laps de temps. L'absence d'atmosphère a aussi été confirmée.
Afin de mieux connaître cette planète et son environnement, une mission européenne Mercury est prévue ainsi qu'une mission américaine, Messenger.

La planète Vénus a, par contre, été l'objet d'un grand nombre de missions de survol et d'atterrissage en 1974 (Mariner 10), en 1975 (Venera 9 et 10), en 1978 (Pioneer-Venus 1 et 2, Venera 11 et 12), en 1982 (Venera 13 et 14), en 1983 (Venera 15 et 16), en 1985 (Vega 1 et 2) et enfin la sonde Magellan en 1989. Cette dernière a permis une moisson de données : la surface qui reste cachée par d'épais nuages a été observée par un radar à haute résolution et reconstituée en trois dimensions. Toutes les sondes qui se posèrent en douceur sur le sol de Vénus ne survécurent pas longtemps du fait de la température de +475° et de la pression atmosphérique de 90 atmosphères terrestres. L'atmosphère de Vénus, composée de gaz carbonique, est à l'origine de l'effet de serre qui a élevé la température à son niveau actuel. La surface de la planète est relativement jeune (300 à 500 millions d'années) et volcanique sur 85% de sa surface.

La planète Mars a aussi été l'objet d'un grand nombre de missions spatiales depuis 1965. De nombreuses missions vers Mars furent des échecs jusqu'au succès spectaculaire des sondes Viking qui se posèrent en douceur et envoyèrent de nombreuses images du sol martien. Des analyses du sol furent effectuées sans révéler de traces de vie, activement recherchées. Des mesures météorologiques sur la vitesse des vents (très grande), la pression atmosphérique (très faible) ainsi que l'enregistrement de "tremblements de Mars" furent réalisés. La sonde Mars Global Surveyor, en orbite autour de Mars, envoya un nombre important d'images spectaculaires de très haute résolution. Actuellement des missions de retour d'échantillons de roches martiennes (Mars Sample Return) franco-américaine sont prévues mais retardées par les échecs récents de sondes comme Mars Climate Orbiter. Quant à une mission habitée vers Mars, cela reste très hypothétique. Si les problèmes techniques sont bien maîtrisés, la protection des astronautes contre les éruptions solaires n'a pas encore trouvé de solution.

La planète Jupiter nécessite un temps de voyage plus long mais a cependant été l'objet de plusieurs missions. La mission Voyager fut un formidable succès. L'atmosphère de Jupiter montra sa structure de nuages de méthane et d'hydrogène colorés par des traces de molécules complexes et de cyclones permanents, le satellite Io dévoila son volcanisme actif envoyant de la matière à plus de 700 kilomètres d'altitude et sa surface recouverte de soufre, le satellite Europe montra sa surface glacée, les satellites Ganymède et Callisto, leur surface cratérisée mais recelant de la glace. L'anneau de Jupiter fut découvert ainsi que de nouveaux petits satellites gravitant tout près de la planète. Il faudra attendre la sonde Galiléo pour obtenir de nouvelles mesures et la détection, grâce au champ magnétique, d'un océan, non seulement sous la glace d'Europe, mais aussi sous la surface rocheuse de Ganymède. On commence à envisager le lancement de sondes destinées à se poser sur ces satellites.

La planète Saturne a aussi été visitée par Voyager. L'aspect de son atmosphère s'est révélé semblable à celui de l'atmosphère de Jupiter mais moins coloré. La présence de tempête gigantesque, visibles depuis la Terre, a aussi été montrée. Si les satellites rocheux montrent des surfaces curieuses (l'énorme cratère de Mimas, les deux faces très contrastées de Dioné et Rhéa), c'est Titan qui suscite le plus d'intérêt du fait de son atmosphère. Cette atmosphère, composée de méthane et d'éthane, laisse supposer l'existence de lacs ou de mers de ces mêmes composants. La nature prébiotique de certaines molécules de cette atmosphère donne envie d'en savoir plus. La mission Cassini-Huygens est chargée de cette mission. En fin, les sondes ont montré l'aspect asymétrique de l'anneau traversé de structures changeantes, les "spokes". La découverte de petits satellites confinant gravitationellement de fins anneaux de matière a aussi été une surprise.

La planète Uranus n'est vue de la Terre que sous un diamètre apparent de 4 secondes de degré. De la Terre on découvrit en 1977 qu'Uranus possédait des anneaux comme la planète Jupiter : cette découverte fut faite lors de l'observation d'une étoile occultée par Uranus : elle fut occultée brièvement avant et après le passage derrière Uranus, révélant ainsi l'existence d'anneaux. Seules les sondes spatiales peuvent nous en apprendre plus sur cette planète dont l'axe de rotation, couché sur l'écliptique, reste une énigme. Les résultats de Voyager furent cependant assez décevants : outre la confirmation de l'existence d'anneaux et la découverte des petits satellites, Voyager ne put nous envoyer que des images de la planète sans détails apparents : les nuages magnifiques de Jupiter étaient absents de l'atmosphère d'Uranus. Par contre, les images des gros satellites furent très intéressantes : la surface particulièrement tourmentée de Miranda était surprenante.

La planète Neptune est encore moins perceptible depuis la Terre. Les images de cette planète envoyées par Voyager furent spectaculaires : une planète bleue, avec une grande tache sombre et des petites taches blanches virevoltant dans l'atmosphère de Neptune. Triton dévoila une surface glacée d'où jaillissaient des geysers. Voyager confirma les anneaux découverts depuis la Terre dès 1977 par des astronomes français. Ces anneaux étaient très particuliers du fait de leur épaisseur variable qui a fait supposer au début qu'il ne s'agissait que d'arcs incomplets.

La planète Pluton n'a pas été visitée par une sonde. Seul le télescope spatial Hubble a pu fournir quelques images de sa surface. La dernière découverte importante concernant Pluton a été la mise en évidence de son satellite Charon en 1978. Une mission spatiale (Pluto Express) vers Pluton est prévue prochainement avec une arrivée à partir de 2013.

Les astéroïdes ont été étudiés depuis la Terre : on a mis en évidence les différentes classes chimiques : C carbonés, sombre; S métallo-pierreux, rougeâtre; M à dominance métallique ainsi que de nouvelles familles autres que la ceinture principale entre Mars et Jupiter : les centaures évoluant entre Jupiter et Neptune, les géocroiseurs croisant l'orbite de la Terre et présentant un danger (on pense que d'ici 30 ans, tous les cailloux dangereux seront répertoriés) et les astéroïdes de la ceinture de Kuiper au-delà de Pluton. Ceux-ci semblent nombreux, et certains d'entre eux sont particulièrement gros. Leur éloignement rend difficile leur observation. Des sondes spatiales ont approché quelques astéroïdes : Galiléo a envoyé des images de Gaspra et d'Ida révélant autour de ce dernier un petit satellite tel que ceux révélés par les occultations d'étoiles dès les années 1980. La sonde NEAR s'est satellisée autour d'Eros nous envoyant des images spectaculaires. L'optique adaptative a permis de détecter depuis le sol quelques satellites d'astéroïdes (Eugénia, Pulcova). Enfin, on a profité des passages proches de la Terre pour effectuer des tirs radar sondant quelques astéroïdes (Toutatis, Geographos, Kléopatra).

Les comètes sont maintenant mieux connues : des sondes spatiales se sont aventurées dans les parages de la comète Jacobini-Zinner et de celle de Halley. Les passages proches de la Terre des comètes Hyakutake et Hale-Bopp ont montré des structures intéressantes. On a observé des blocs de roches arrachés de la surface de Hyakutake par la sublimation des glaces. Dans l'avenir, la mission spatiale Rosetta vers la comète Wirtanen, une toute petite comète qui pourrait bien ne pas résister aux assauts de la sonde (nécessité d'un grappin pour s'accrocher) est programmée.

Le Soleil est aujourd'hui mieux connu grâce au satellite Soho situé entre la Terre et le Soleil qui observe le Soleil en permanence. La sonde Ulysse nous a aussi montré que les pôles du Soleil émettait deux fois plus de vent solaire que les latitudes plus basses. Des missions vers le Soleil, comme la mission Mercury de l'ESA sont prévues.

Les télescopes d'aujourd'hui et de demain

Lorsque l'on a construit les télescopes dont le miroir avait un diamètre de 5 ou 6 mètres, on s'est rendu compte que l'on avait atteint une limite. Le coulage et le refroidissement de telles masses de verre prenait des années, et la taille était des plus aléatoires. Aussi, il fallut inventé de nouvelles technologies pour obtenir des télescopes de plus grande ouverture. La première innovation fut l'introduction de l'optique active. On fabriquait un miroir mince dont la géométrie était garantie par des leviers actifs disposés sous le miroir. Ainsi fut construit le VLT (Very Large Telescope) de l'ESO de 8 mètres de diamètre sur le mont Paranal au Chili. Des télescopes similaires ont aussi été construits au sommet du Mauna Kea à Hawaï. Afin de limiter les effets de la turbulence atmosphérique et atteindre le pouvoir de résolution des télescopes, la première solution a été de sortir un télescope de l'atmosphère terrestre (ce qui fut fait grâce au Space Telescope de 2,4 mètres de diamètre en orbite autour de la Terre) et la deuxième a été la correction du front d'onde en temps réel grâce à l'optique adaptative. Enfin, l'interférométrie optique permet de simuler des télescopes de plusieurs dizaines de mètres de diamètre en combinant les faisceaux de plusieurs télescopes éloignés de plusieurs dizaines de mètres. Ces télescopes sont les télescopes de l'avenir et un tel système placé en orbite aurait un pouvoir de résolution jamais atteint à ce jour. Un télescope de 100 mètres de diamètre est en projet. En ce qui concerne les télescopes optiques en orbite, il est prévu un télescope de 10 mètres de diamètre pour remplacer le télescope Hubble : le NGST (New Generation Space Telescope). Citons enfin le projet ALMA d'un réseau de 64 antennes millimétriques de 12 mètres de diamètre et représentant une surface collectrice totale de 7000 m² qui doivent être installées dans le désert d'Atacama au Chili à 5000 mètres d'altitude. Ce réseau d'antennes devrait permettre, en particulier, de détecter la formation de planètes autour des étoiles.

Les bases de données et Internet

La puissance des ordinateurs et la capacité des réseaux a amené la constitution de bases de données importantes et aisément consultables. Ainsi, Internet permet de consulter rapidement les catalogues d'étoiles pour obtenir des positions (par exemple au Centre de Données de Strasbourg). L'ensemble du ciel photographié par des télescopes de Schmidt a été numérisé et est accessible en ligne (Digitized Sky Survey) pour identifier les champs observés et mettre en évidence des objets nouveaux ou variables. Les éphémérides des planètes et des corps du système solaire sont disponibles sur les sites du JPL aux USA ou de l'IMCCE en France. Le Minor Planet Center conserve toutes les observations des milliers d'astéroïdes découverts et informe en direct de l'existence de tel ou tel objet dans une zone définie du ciel. Tous ces serveurs fournissent des outils extrêmement puissants aux astronomes. Citons enfin le serveur de la NASA fournissant toutes les références des publications astronomiques effectuées dans le monde (ADS Abstracts Service).

La mécanique céleste

La mécanique céleste a-t-elle encore un avenir en ce début de 21^ème siècle ? Les éphémérides doivent devenir de plus en plus précises pour les besoins de l'exploration spatiale. La navigation spatiale en est encore à ses débuts : les sondes ne font pas le point dans l'espace comme les marins en mer : elles sont toujours rattachées à la Terre qui les pilote. Mais la multiplicité des engins envoyés dans l'espace nécessite aujourd'hui le développement de systèmes de navigation autonome. Pour cela les éphémérides des corps du système solaire, en particulier des astéroïdes, deviennent cruciales. L'augmentation de leur précision passe par le développement de théories entièrement dans le cadre de la relativité générale et ce travail est actuellement en cours. La représentation des éphémérides évolue : aujourd'hui, elles sont fournies sous la forme de quelques coefficients peu encombrants, valables pour un intervalle de temps limité mais avec une grande précision. Les sondes, les télescopes spatiaux et les télescopes automatiques au sol utilisent ces techniques.
D'un autre côté, la mécanique céleste nous permet d'étudier l'évolution du système solaire ou des systèmes extrasolaires actuellement mis en évidence. Le chaos dans le système solaire a été montré : il est impossible de calculer les positions des planètes intérieures 100 millions d'années à l'avance mais on peut étudier l'évolution globale du système et aussi des scénarios concernant sa formation.

Des planètes autour des étoiles ? De la vie dans l'univers  ?

Jusqu'à très récemment, il n'était prouvé que seul, le Soleil possédait un cortège de planètes. Bien sûr, des philosophes avaient supposée la pluralité des mondes et des astronomes s'étaient rendu compte que d'autres étoiles, parmi les milliards de notre galaxie, pouvaient avoir, elles-aussi, un cortège de planètes. Mais il n'était pas possible de le prouver. On avait bien détecter un mouvement propre sinusoïdal de certaines étoiles, ce qui montrait bien qu'elles étaient en interaction gravitationnelle avec un autre corps, mais celui-ci, de part sa masse, ne pouvait être qu'une autre étoile, même moins brillante que la première : les étoiles doubles ou triples sont très nombreuses dans l'univers.
La découverte de planètes extrasolaires se fit lorsque la mesure des vitesses radiales des étoiles (vitesse selon le rayon vecteur Terre-étoile) augmenta en précision. En 1995, des astronomes suisses observant à l'observatoire de Haute Provence, mettent en évidence une variation de vitesse radiale de l'étoile 51 Pégase révélant un corps de la taille d'une planète comme Jupiter en orbite autour de cette étoile. C'est la première fois qu'une planète est détecté ainsi. Depuis, d'autres planètes ont été découvertes autour d'autres étoiles. Pour l'instant, on ne peut détecter que des planètes d'une taille égale ou supérieure à celle de Jupiter, mais la précision des mesures augmentant, on pourra bientôt détecter des planètes moins massives, donc perturbant moins le mouvement de l'étoile.
De nouvelles techniques sont en cours de développement pour détecter des planètes extrasolaires : la méthode des occultations devrait permettre de détecter une légère chute de flux lumineux de l'étoile lors du passage d'une planète devant le disque de l'étoile et le lancement d'un satellite astrométrique tel que GAIA prévu pour 2012 permettra de mesurer le mouvement propre d'une étoile avec une précision telle que les perturbations créées par une ou des planètes seront détectées.
Mais sommes-nous seuls dans l'univers ? La vie est-elle apparue ailleurs  ?  Détecter une planète est une chose, détecter de la vie sur une planète en est une autre. Il y a encore beaucoup à faire avant de disposer de moyens d'observation permettant de voir la surface d'une planète comme la Terre en orbite autour d'une étoile de notre galaxie.
En fait, la détection de vie ailleurs que sur la Terre peut se faire actuellement de plusieurs manières : dans le système solaire, on peut aller voir sur place. Les analyses faites sur Mars semblent négatives, mais l'existence d'océans d'eau salée à température convenable sur les satellites de Jupiter, peut laisser envisager des découvertes intéressantes. Enfin, l'analyse des comètes peut révéler des molécules complexes laissant présager l'apparition de la vie.
C'est la recherche de telles molécules qui est effectuées dans la matière interstellaire par l'analyse de la lumière en provenant. Cette matière bombardée de rayonnements énergétiques provenant d'étoiles proches peut avoir engendré des molécules complexes prébiotiques.
Enfin, l'écoute par les grands radiotélescopes du programme SETI (Search for Extra Terrestrial Intelligence) des ondes radio en provenance de la galaxie est censée intercepter un signal émis par des créatures intelligentes. Mais le spectre radio est tellement vaste et les étoiles tellement éloignées que, même si des êtres intelligents émettaient des signaux, nous aurions peu de chance de les capter.

 

Conclusion

 

Les recherches en astronomie semblent s'accélérer : toutes nos connaissances doublent dans des laps de temps de plus en plus réduits, mais toutes nos découvertes posent toujours plus de questions. L'exploration du système solaire est maintenant faite in-situ, appuyée par des observations régulières au sol pour la surveillance de phénomènes rapidement variables. La navigation spatiale va devenir autonome, nécessitant de connaître avec plus de précision les positions de tous les corps du système solaire. Des sondes vont bientôt se poser sur les satellites des planètes géantes nous révélant encore des choses nouvelles qui nous poseront de nouvelles questions. La mécanique céleste va nous dire bientôt comment le système solaire s'est formé et aussi comment d'autres systèmes solaires peuvent exister ailleurs, bien différents mais stables et durables. Enfin, les moyens d'observation vont bientôt nous montrer des régions encore plus éloignées de l'univers ainsi que les planètes des systèmes extrasolaires. Notre représentation de l'univers sera bientôt aussi périmée que celle de nos ancêtres de l'antiquité.

 

Bibliographie :

Jean-Pierre Verdet : Une histoire de l'astronomie, Points Science, Editions du Seuil

Christian Nitschelm : L'astronomie de la préhistoire à nos jours, Editions Burillier