3. Le ciel est rond et pas seulement les soirs de cuite
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Où l’on introduit la notion de sphère céleste ...
Il y a cette histoire de deux mecs passablement éméchés qui font du camping et qui regardent les étoiles, allongés sur leur lit de camp. L’un dit « tu n’as rien remarqué ? » Et l’autre commence un discours enflammé sur la beauté du ciel, les galaxies, la grande et le petite ourse, le mouvement des étoiles. Mais au bout d’un moment le premier l’interrompt pour dire « Oui, mais est ce que tu as remarqué qu’on nous a piqué la tente ?».
Évitons, nous aussi, de nous laisser distraire par le vol de la tente et concentrons-nous sur le ciel. Tout commence, en effet, avec la constatation que les étoiles bougent au cours de la nuit de façon assez conséquente. Les astronomes grecs ne furent probablement pas les premiers à vouloir étudier le mouvement des étoiles mais essayons de suivre, à travers leur exemple, la démarche qui allait donner à l’astronomie ses premiers fondements scientifiques.
Nous verrons que l’arc qui joint l’Est exact à l’Ouest exact et qui culmine sous nos latitudes à une hauteur d’environ 45° au dessus de l’horizon Sud s’appelle « l’équateur céleste ». C’est la trajectoire que suit le soleil le jour des équinoxes. Une trajectoire qui a toute l’apparence d’un demi cercle. Vers le Sud, les étoiles décrivent des arcs, plus ou moins tendus sur l’horizon, plus ou moins longs, mais qui ont l’air parallèles à l’équateur céleste.
Ça c’est quand on se tourne vers le Sud. Mais quand on se tourne vers le Nord c’est une autre histoire. De ce côté-là les étoiles décrivent carrément des cercles centrés sur l’étoile polaire, une étoile de la petite ourse qui indique la direction du Nord exact.
Les phénomènes que nous venons de décrire sont ceux qu’on observe au cours d’une nuit complète sauf que les mouvements sont bien plus lents que sur l’animation proposée. Dans la réalité, il n’est pas rare qu’une étoile du Sud n’ait pas le temps de faire tout le trajet entre l’Est et l’Ouest au cours d’une nuit. Quant aux étoiles du Nord, leur rotation autour de la polaire s’effectue à la vitesse de 15° par heure. Il leur faudrait donc un jour entier pour faire un tour complet et au cours d’une longue nuit de 12 heures, elles ne feront jamais qu’un demi tour.
Pour illustrer nos propos, voici ce qu’obtient le canadien, Denis Bergeron, quand il braque son télescope prolongé par une caméra CDD vers la polaire et qu’il laisse tourner pendant une bonne partie de la nuit.
Les images du début sont des instantanés montés en un film accéléré dont la durée réelle est probablement plusieurs heures. On voit bien que les étoiles tournent sans qu’on puisse exactement juger de leurs trajectoires. L’image de la fin, elle, n’est pas un film mais une photographie obtenue en laissant l’objectif ouvert pendant plusieurs heures. Elle montre bien qu’en direction du nord, les étoiles décrivent des cercles parfaits, centrés sur la polaire. Centrés sur la polaire ? Ce n’est pas si sûr. Mettez le pointeur de votre souris exactement au centre de la rotation et essayez de repérer Polaris par ce procédé.
Déception ! il n’y a pas d’étoile au centre du dispositif.
Mais pour tempérer votre déception, n’oubliez pas que ces photos sont prises à travers un télescope dont le grossissement dilate les distances. En fait les étoiles tournent autour d’un lieu qu’on appelle « pôle nord céleste » et l’étoile polaire est l’étoile notable la plus proche du pôle nord céleste. Le télescope grossit donc la distance entre Polaris et le pôle , mais à l’œil nu, il serait difficile, pour ne pas dire impossible, de mettre en évidence le léger décalage entre les deux. Et je n’ose pas vous dire qu’en fait le pôle nord se balade et décrit un cercle relativement ample dans le ciel parmi les étoiles à cause d’un phénomène appelé « précession ». . Il est vrai qu’il bouge, mais sa vitesse est si faible qu’il faut plusieurs siècles d’observation pour détecter à l’œil nu l’amorce d’un mouvement. Par exemple, il a fallu 1500 ans pour que Novarra, le maître italien de Copernic, remarque que le pôle Nord avait très légèrement bougé (2°) par rapport à ce qu’il était dans l’antiquité grecque. Donc, à l’échelle d’une vie, on peut sans problème considérer qu’il est immobile. En ce qui nous concerne, nous oublierons rapidement ce léger accroc à nos certitudes pour considérer que le pôle nord et l’étoile polaire sont confondus.
Nous avons donc en apparence deux mouvements différents pour les étoiles qui décrivent au Sud des portions de courbes et au Nord des cercles parfaits. Comment faire le lien entre ces deux mouvements ? Les astronomes de l’antiquité, notamment les grecs, ont mis un certain temps à réaliser qu’en fait il s’agissait de deux aspects d’un mouvement d’ensemble qui anime le ciel tout entier. Car cela est loin d’être évident. Pour parvenir à ce résultat, il va falloir d’abord remarquer que toutes les trajectoires stellaires visibles (celles du sud comme celles du nord) sont en fait des cercles ou des arc de cercles, établir que le centre de ces trajectoires n’est pas Polaris elle-même mais un point situé sur l’axe qui joint Polaris à l’observateur (ce qui explique leur apparente concentricité) .
Et puis, surtout, après avoir remarqué que l’ensemble de ces cercles semble former une enveloppe sphérique contenant la terre, abandonner l’idée pourtant tentante que le mouvement est propre aux étoiles, pour considérer qu’en fait toutes nos observations seraient cohérentes si le ciel était sphérique, en rotation autour d’un axe invisible reliant Polaris à l’observateur, et que les étoiles étaient fixes, clouées sur cette sphère.
En fait le synchronisme du mouvement des étoiles (toutes décrivent un tour complet en une journée) trouve son explication dans le fait qu’il s’agit du mouvement de la sphère qui les supporte et non pas d’un mouvement propre à chaque étoile.
Même si elle est fausse cette nouvelle vision du cosmos, (dont le génial découvreur restera inconnu), va rapidement s’avérer très fertile et permettre à l’astronomie de faire d’énormes progrès, car si le ciel est une sphère semblable à la terre, et que les étoiles y occupent une position fixe, (comme les villes sur la terre) , on va pouvoir faire des cartes du ciel ce qui va favoriser l’étude (et surtout la quantification) de tous les phénomènes qui s’y déroulent. D’ailleurs, la vision d’un ciel sphérique est à ce point utile qu’aujourd’hui encore elle prévaut dans le domaine de l’astronomie de position où elle excelle pour nous indiquer avec exactitude dans quelle direction il faut pointer son regard ou son télescope pour observer tel objet ou tel évènement.
La sphère céleste est faite d’une substance transparente qu’on appelle l’éther. Elle supporte les étoiles qui y sont fixées et elle est animée d’un mouvement de rotation, autour d’un axe reliant son pôle Nord et son pôle Sud qui lui est diamétralement opposé. Du fait que l’axe de rotation du cosmos, l’axe du monde, passe par Polaris, c’est la seule étoile qui semble immobile dans le ciel. Les autres sont entraînées par le mouvement de la sphère. L’horizon terrestre est un plan opaque qui coupe la sphère en deux parties égales et ce que nous appelons « ciel » est la partie de la sphère céleste qui surplombe le plan horizon. Les étoiles situées prés du pôle nord céleste sont toujours présentes dans le ciel, on les appelle les étoiles « circumpolaires». D’autres étoiles se lèvent et se couchent, d’autres ne sont jamais visibles depuis un lieu donné. L’horizon nous cache les étoiles qui sont situées prés du pôle Sud céleste. Pour parvenir à les voir il faut franchir l’équateur et choisir un point d’observation de l’hémisphère sud de la terre.
L’observateur occupe le centre de cette sphère ce qui signifie qu’il est situé sur l’axe de rotation de la sphère, autrement dit, il peut imaginer l’axe du monde comme une ligne qui joint le lieu où il se trouve à l’étoile polaire.
Les astronomes grecs nommèrent assez judicieusement : « sphère des fixes » la sphère qui supporte les étoiles car bien qu’elle soit en rotation, les étoiles, elles restent toujours à la même place, à la même distance les unes des autres, comme si elles étaient clouées sur cette sphère transparente. Les « mobiles » sont les objets qui bougent parmi les étoiles à savoir : le soleil, la lune et les planètes. Les comètes n’en faisaient pas partie car on ne savait pas prévoir leur mouvement (il faudra attendre Halley 1705) et de plus on les considérait comme des phénomènes atmosphériques c'est-à-dire des phénomènes se déroulant entre le ciel et la terre.
On ne mit pas longtemps à observer que les mobiles suivaient toujours la même route sur la sphère des fixes (tous les mobiles se déplacent sur un grand cercle de la sphère qui traverse les constellations du zodiaque) mais comme ils n’allaient pas tous à la même vitesse et que de plus les planètes se livraient à quelques excentricités comme revenir en arrière de temps en temps ou briller plus ou moins, on inventa une sphère ou même plusieurs pour chaque mobile. Aujourd’hui, la sphère des fixes est devenue la « sphère céleste » car on ne l’utilise plus que comme un repère astronomique (elle ne joue plus aucun rôle dans l’explication du mouvement des planètes) et on considère que c’est sur elle que se déroule le mouvement des mobiles dés lors que notre but est simplement de les localiser parmi les étoiles.
On a donc une sphère constellée d'étoiles qui occupent sur elle une position fixe. Cette sphère fait en 24H un tour + un petit chouïa (1°) ce qui explique que le ciel nocturne change d'aspect de saison en saison. Sur cette sphère on trouve aussi les mobiles dont le mouvement diurne semble dû à la rotation de la sphère. Si on l'observe au cours d'une nuit le mobile semble ne pas bouger par rapport aux étoiles qui l'entourent mais une observation plus fine sur une longue durée montre que le mobile se déplace imperceptiblement sur la sphère et que tous les mobiles parcourent le même grand cercle (incliné par rapport à l'équateur et aux parallèles) et se déplacent dans le même sens (bien que de temps en temps les planètes semblent revenir en arrière pour une courte période avant de poursuivre leur mouvement normal).
Mais le raisonnement qui a conduit à l’invention (ou à la découverte) de cette sphère, si utile aux astronomes et indispensable à la compréhension de la mécanique céleste, comporte encore quelques aspects bien mystérieux. Essayons d’y voir plus clair. En ces temps lointains, que la terre, autrement dit le séjour des Dieux soit le centre de cette sphère n’avait rien d’étonnant. Mais un fait demeurait étonnant : comment expliquer que chacun de nous, qu’il se trouve à Athènes, à Alexandrie ou en train de contribuer au cycle de l’azote, le cul à l’air, dans une vigne du côté de Narbonne poétiquement baignée par le clair de lune, en soit apparemment le pivot ? Puisque, où que nous trouvions, la sphère des fixes semble tourner autour d’un axe qui passe par nous ! Le doigt de Dieu nous aurait il personnellement désigné pour assumer cette tache surhumaine de faire tourner le cosmos ?
Autre motif d’étonnement : si sur Terre on fixe deux points distincts de l’horizon, par exemple deux arbres, et qu’on entreprend d’en faire le tour, tout en restant éloignés d’eux, l’angle sous lequel on va voir les deux arbres va changer au cours de notre déplacement. Il y a même un point depuis lequel on va les voir alignés avec nous donc confondus. Or, bizarrement, si l’on regarde deux étoiles lointaines, par exemple Rigel et Bételgeuse, qu’on les regarde depuis n’importe quel lieu sur Terre, depuis Montpellier, depuis les pôles ou depuis l’équateur, on les voit toujours sous le même angle. Mieux : qu’on les regarde en Janvier ou en Juillet , on les voit toujours sous le même angle alors que la terre a parcouru environ 450 millions de kilomètres sur son orbite autour du soleil entre ces deux dates.
En fait, cela n’est possible que si le rayon de la terre, et même le rayon de l’orbite de la terre autour du soleil sont minuscules au regard des dimensions de la sphère céleste. Si minuscules qu’un mouvement à leur échelle, même s’il nous paraît phénoménal, est dérisoire et ne compte pas à l’échelle astronomique.
Au regard des dimensions de la sphère céleste, la terre est un point minuscule qui en occupe le centre. Nous avons quitté la géographie pour l’astronomie.
Désormais, nous appellerons « Equateur céleste » la trace (le prolongement) de l’équateur terrestre sur la sphère céleste. Et « pôles célestes » les lieux où l’axe Nord Sud de la terre, la ligne des pôles de la terre, coupe la sphère céleste. L’équateur céleste partage la sphère céleste en deux hémisphères. Celui que nous avons représenté en jaune sur le dessin contient l’hémisphère nord de la terre. Nous l’appellerons donc hémisphère céleste Nord. L’autre, le bleu contient l’hémisphère sud de la terre, nous l’appellerons l’hémisphère céleste sud.
Comme les étoiles sont fixes sur la sphère il y aura désormais les étoiles de l’hémisphère sud et les étoiles de l’hémisphère nord. On reconnaîtra les lignes tracées sur la sphère aux étoiles qu’elles supportent (par exemple les étoiles de l’équateur) ou aux constellations qu’elles traversent. Le pôle nord céleste lui-même correspond à une étoile nommée Polaris, l’étoile polaire. Aucune étoile notable ne coïncide avec le pôle Sud. il ne fait aucun doute, désormais, que la sphère céleste hérite sa topologie de la sphère terrestre.
Le dernier dessin montre comment l’observateur se positionne dans l’hémisphère visible, au-dessus de l’horizon (bleu foncé). L’observateur est tourné vers le Sud, il voit la moitié de l’équateur céleste comme un demi-cercle reliant l’Est à l’Ouest et culminant au Sud à environ 45° de hauteur au-dessus de l’horizon. En balayant le ciel, l’observateur peut voir une petite partie de l’hémisphère sud de la sphère céleste, sous l’équateur (en bleu sur le dessin) et une grande partie de l’hémisphère nord (en jaune). Ce serait le contraire si l’on observait le ciel depuis l’hémisphère sud de la terre. Quand l’observateur se tourne vers le Nord, le pôle Nord céleste est devant lui à une hauteur d’environ 45° c'est-à-dire à mi hauteur entre le zénith et l’horizon.
Dans le chapitre précédent (celui sur l’horizon) , nous avons appris que si la latitude du lieu est X , l’angle entre l’horizon et l’équateur est 90–X ce qui explique pourquoi on voit le point culminant de l’équateur à une hauteur de 90–X degrés au dessus de l’horizon Sud. Et bien la hauteur du pôle Nord sur l’horizon Nord est égale à la latitude du lieu. C’est donc X degrés, 43° pour Montpellier. Si la latitude du lieu où l’on observe le ciel est X. (X = 43° à Montpellier) La hauteur du point culminant de l’équateur sur l’horizon Sud est 90–X degrés. (47° à Montpellier) La hauteur de la polaire sur l’horizon nord est X degrés. (43° à Montpellier) X et 90–X, peut être que le fait que l’axe Nord Sud est perpendiculaire au plan de l’équateur n’est pas étranger à la relation entre ces 2 nombres.
Maintenant, imaginez que vous êtes situé au centre d'une pièce sur un plateau tournant. Si, alors que que le plateau est en mouvement, vous regarder le lustre qui est situé juste au-dessus de vous, vous voyez ce lustre tourner. Si vous ignorez que vous êtes sur un plateau tournant, il vous est impossible de dire si c'est vous qui tournez ou le lustre et toute la pièce avec lui. Eh bien pour le ciel c'est la même chose. Aujourd'hui, nous savons que ce n'est pas le ciel qui tourne mais la terre autour de son axe nord sud. En fait la rotation de la sphère n'est qu'un mouvement apparent. En réalité c'est la terre qui en tournant sur elle-même autour de son axe nord - sud, joue le rôle du plateau tournant et tant que nous ignorons que la terre tourne sur elle-même tout porte à penser que c'est le ciel qui tourne puisque nous le voyons bouger par rapport à un repère (les montagnes, les maisons, les champs, la forêt) qui lui semble indubitablement fixe. Malgré quelques savants velléitaires, il faudra des siècles et des siècles avant que la vérité s'impose aux hommes suite aux travaux de Copernic, Kepler et Galilée. Mais même aujourd'hui, sachant ce que nous savons, lorsque notre ambition est juste d'observer le ciel et d'en comprendre la mécanique, il est quelquefois bien pratique de considérer que c'est la sphère céleste qui tourne, et que les mobiles se déplacent imperceptiblement sur elle selon une loi qui ne demeurera pas longtemps mystérieuse. En conséquence ne vous étonnez pas si par la suite, il nous arrive encore d'invoquer cette image d'un ciel en mouvement.
Reste à résoudre une question : je viens de prétendre qu’il était équivalent de considérer que c‘était la sphère qui tournait autour de nous ou nous qui tournions sur nous même à l’intérieur de la sphère. Ensuite nous avons dit que nous devons ce mouvement à la rotation de la terre. Soit. Mais à aucun moment le mouvement de la terre ne nous fait tourner sur nous-même. Alors qu’est ce que j’entends par là ?
La terre tournant dans le sens de la flèche, d’ouest en est, le bonhomme est sur le point de disparaître derrière elle, vers l’est de l’horizon. C’est donc vers l’Est de l’horizon que vont apparaître de nouvelles étoiles, tandis que celles qui sont visibles vont se coucher à l’Ouest de l’horizon. Pour imaginer qu’on tourne sur soi-même, il faut faire encore un effort d’imagination et imaginer la scène à l’échelle de la sphère céleste (dessin de droite). Cette fois, plus de doute, la terre et nous-mêmes sommes réduits à un point, donc nous tournons forcément sur nous-mêmes puisque nous sommes intégrés au centre de la sphère et à l’axe de rotation.
L’axe de rotation ; que nous nommons parfois abusivement « l’axe du monde» est bien une droite qui va de l’observateur à l’étoile polaire, l’étoile qui se trouve au zénith du pôle nord de la terre. De plus, il suffit de regarder ces deux dessins pour comprendre que lorsqu’on fait varier la latitude du lieu d’observation, on fait varier l’inclinaison de l’horizon par rapport à l’axe Nord - Sud de la sphère et ce faisant, il est possible que des étoiles qui jusque-là étaient toujours hors de portée de notre regard, cachées par l’horizon, deviennent enfin visibles. Placez le bonhomme rouge dans l’hémisphère Sud de la terre (ce qui revient à faire tourner le plan d'horizon autour du point terre jusqu'à ce que le petit bonhomme ne voit plus le pôle nord) et le pôle sud de la sphère céleste va entrer dans son champ de vision. Alors que de là où il est, il ne le verra jamais.
Dans la position du dessin, on voit que lorsque la terre va tourner sur elle-même, l'extrémité SUD de l'horizon qui touche la sphère céleste, va décrire sur cette sphère un petit cercle qui délimite 2 calottes sphériques, une grande et une petite. La grande, au nord, est la partie de la sphère céleste qu'on pourra voir, à un moment ou à un autre depuis notre latitude. La petite, au sud, est composée des étoiles qu'on ne verra jamais depuis notre latitude. Si le petit bonhomme était sur l'équateur, son horizon contiendrait l'axe de rotation de la terre. Il verrait tout le ciel et au cours d'une rotation et l'étoile polaire serait située exactement sur son horizon Nord.
Finalement tout s’explique... Enfin, presque tout, car il reste encore des tas de trucs à découvrir.
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