Des instruments de prospection de l’univers

Pierre J. MAINIL

 

UGS : 2012001 Catégorie : Étiquette :

Description

Avant la découverte de la lunette astronomique

Pierre : Avant la mise au point de la lunette astronomique par Galilée, l’homme curieux observait déjà les étoiles et les reliait aux phénomènes cycliques de la vie, de sa vie.

Duna : Et tout cela se faisait à l’œil nu !

Pierre : Et malgré cela il arrivait à obtenir une bonne précision dans ses constatations. Les faces des pyramides du plateau de Gizeh sont par exemple orientées selon les axes Nord-Sud et Est-Ouest presque correctement, à une minute d’arc près.

Duna : Dans l’Extrême Orient, il y a eu aussi de remarquables cartographies des étoiles et constellations qui peuplent le ciel ?

Pierre : Tu as raison. Et comme exemple voici une cartographie céleste chinoise.

Duna : Et tout cela sans le moindre instrument ?

Pierre : Tu as raison. Et comme exemple voici une cartographie céleste chinoise.

Duna : Et tout cela sans le moindre instrument ?

Pierre : On ne connaît rien de ceux qui auraient pu être utilisés pour l’établir. Ils ne connaissaient certes pas l’utilisation des lentilles grossissantes qui ont équipé les lunettes astronomiques. Mais ils devaient des moyens de mesurer des angles pour le report de leurs observations sur la carte.

Ptolémée et l’Almageste

Duna : Et dans les pays de l’Europe occidentale ?

Pierre : Nous n’avons pas de cartographie du même genre.

Duna : Pourquoi passer sous silence l’œuvre de Claudius Ptolemaeus (90-160) et son œuvre magistrale en astronomie, l’« Almageste » ?

Pierre : Cette œuvre contient effectivement un catalogue de mille vingt-deux étoiles et une liste de quarante-huit constellations. C’est l’ouvrage le plus complet sur l’astronomie aux temps antiques. Ses propres observations et tout ce qu’il avait repris aux babyloniens et aux grecs, le tout couvrant une période de 900 années, lui permettait de prévoir la position des astres connus.

Duna : Son nom n’est-il pas rattaché à la théorie des épicycles ?

Pierre : C’est exact. Mais il semble l’avoir reprise au système géocentrique du Grec Hipparque. Elle resta en « odeur de sainteté » si j’ose dire, jusqu’au milieu du XVIIIe siècle.

Et en Europe occidentale

Duna : A-t-on progressé dans les observations en occident ?

Pierre : Une mention spéciale doit être accordée à l’astronome Tycho Brahe.

Duna : Qui était ce Tycho Brahe ?

Pierre : En sa qualité d’astrologue, il était le protégé de Frédéric ii, du Roi du Danemark. Bien subsidié de par cette fonction et fortuné de surcroît, il avait installé dans l’île de Hven un observatoire astronomique, le meilleur de l’Europe en ce temps-là Il inventa des instruments permettant de mesurer des angles, et de là des positions d’étoiles, avec au minimum une précision de l’ordre de la minute d’arc.

Duna : Que signifie une telle précision ?

Pierre: Imagine que tu aies installé un objet à dix mètres de l’endroit où l’observateur se trouve. La précision de la minute d’arc veut dire qu’il serait capable de préciser sa situation à trois millimètres près !

Duna : Il y en a conçu d’autres ?

Pierre: Oui, comme des sphères armillaires.

Duna : À quoi servaient-elles ?

Pierre: L’une d’entre elles avait un diamètre de 3 m. Elle lui permettait aussi de mesurer les coordonnées des astres célestes.

Duna : Et qu’a-t-il observé ?

Pierre : La position de 1004 étoiles « fixes » et le relevé jour après jour, de 1575 à 1599, de la position de diverses planètes et notamment MARS. Il a observé, en septembre 1572, l’apparition de la « supernova » dans la Constellation de Cassiopée, une des rares à avoir été observée à l’œil nu.

Duna : Qu’en a-t-il fait pour la promotion des connaissances ?

Pierre: Cette supernova lui a fait comprendre que contrairement à l’opinion jusque là en cours le monde céleste n’était pas immuable. Pour le reste, partisan du géocentrisme, il s’est violemment opposé à l’héliocentrisme de Copernic.

Duna : Sans rien y changer ?

Pierre : Il a imaginé un système hybride – un modèle géo héliocentrique– dans lequel le terre était immobile dans l’espace avec la lune et le soleil qui tournaient autour d’elle, tandis que les cinq planètes connues à l’époque –  à savoir Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne – faisaient leur révolution autour du soleil.

Pierre: À la mort de Frédéric II en 1788, le successeur de ce dernier, Christian IV, décida de cesser de subsidier un astrologue. Tycho Brahe se plaça sous la protection de Rodolphe II, Empereur du Saint Empire romain germanique.

Il s’est installé à Prague et y a emporté tous ses instruments d’observation. En 1600, un an avant son décès, il s’est adjoint Kepler comme collaborateur.

Kepler

Duna : Kepler était également astrologue ?

Pierre: Évidemment. Kepler l’était. Mais à la mort de Tycho Brahe, il disposait non seulement des instruments de l’observatoire mais aussi de tous les relevés faits par Tycho Brahe sa vie durant.

Duna : Kepler était-il géocentrique ?

Pierre: Non, au contraire de Tycho Brahe, il était partisan de l’héliocentrisme développé par Copernic une soixante d’années auparavant. Mathématicien dans l’âme, il voulait interpréter l’architecture de l’Univers en langage mathématique.

Duna : Et quelle a été sa première découverte ?

Pierre : Il a déterminé, en premier lieu, la durée de l’année de la planète Mars. Il l’a trouvée être égale à 780 jours terrestres. Il s’est alors attelé à déterminer la distance qui séparait Mars du Soleil, (ou plutôt le rapport de cette distance à la distance séparant le Soleil de la Terre) et a fait la découverte, pour lui déroutante, déroutante parce que cette distance n’était pas constante.

Duna : En quoi cette divergence était-elle troublante ?

Pierre : Il estimait à l’époque que la Terre et la planète Mars décrivaient des orbites circulaires centrées sur le Soleil.

Duna : Dans ce cas le rapport des rayons de ces cercles devait être une constante.

Comment Kepler a-t-il éliminé cette discordance ?

Pierre : Il n’a pas immédiatement abandonné les orbites circulaires mais a introduit dans son « paradigme de recherche » l’hypothèse ad hoc selon laquelle la planète Mars conservait une orbite circulaire, mais avec le Soleil en position excentrée.

Duna : Et cela ne « marchait » pas non plus ?

Pierre : Avec cette hypothèse, était mieux vérifiée la loi qu’il avait découverte et selon laquelle les aires balayées par le rayon vecteur joignant le Soleil au centre de la planète sont proportionnelles au temps mis pour les décrire. Mais pas assez pour qu’il soit satisfait.

Duna : Quel a été le pas décisif ?

Pierre : Kepler connaissait les œuvres sur les sections coniques de Apollonius de Perga (-262/-180 avant notre ère). Il s’est aperçu que La section par un plan d’un tronc de cône dont la base était un « cercle parfait », étaient des « ellipses » ou des « paraboles » en fonction de l’angle que faisait ce plan avec l’axe du cône.

Duna : Veux-tu prétendre que le mathématicien a été tenté de remplacer l’a priori des trajectoires parfaites circulaires par celui des trajectoires situées sur la surface du cône « parfait » qu’est celui dont la base est circulaire ?

Pierre : Je suis tenté de le penser. Il a rompu avec des siècles de mystiques soutenues par la tradition, et a modifié son paradigme.

Duna : Et, sur cette base, il a procédé aux vérifications nécessaires.

L’héliocentrisme

Pierre : C’est ainsi que les connaissances se sont enrichies d’une nouvelle loi régissant les trajectoires des planètes autour du soleil.

Duna : Où Kepler a-t-il logé le Soleil ? Au centre de l’ellipse ?

Pierre : Non. Les variations des distances de Mars au Soleil l’en empêchaient.

Duna : Mais alors ?

Pierre : Si la trajectoire de la planète avait été circulaire, comme le cercle n’a qu’un centre, le Soleil y aurait été logé. Quand le cercle s’est transformé en une ellipse, ce centre s’est dédoublé en deux points que l’on connaît sous le nom de foyers. Le Soleil n’ayant pas le don d’ubiquité, a été translaté à l’emplacement d’un des deux foyers.

L’ambigüité

Duna : Comment considères-tu les apports de Tycho Brahe et de Kepler ?

Pierre : Tycho Brahe était un remarquable observateur, mais est resté confiné dans le rôle du technicien scientifique. Kepler avait dépassé ce stade et adopté la façon d’être d’un vrai scientifique ! Du moins en cette matière !

Duna : Que veux-tu dire ?

Pierre : Kepler avait élaboré un mythe géométrique, dans son prodrome aux traités cosmographiques contenant le mystère cosmique des admirables proportions des orbites célestes et les vraies et justes raisons de leurs nombres, magnitude et mouvements périodiques, pour trouver les diamètres des orbites planétaires. Il avançait l’idée que ces orbites se trouvaient sur des sphères distribuées dans l’espace en respectant les inclusions entre elles de cinq polyèdres.

Duna : Comment agençait-il tout cela ?

Pierre : La sphère externe qui était celle où gravitait la planète Saturne, contenait un cube recélant en son intérieur la sphère sur laquelle gravitait Jupiter. À l’intérieur de cette dernière sphère, était inscrit un tétraèdre contenant la sphère relative à Mars. Le même processus s’appliquait avec les dodécaèdres, icosaèdre et l’octaèdre relatifs aux sphères de la Terre, de Vénus et de Mercure.

Duna : Et il ne s’en est pas séparé ?

Pierre : Dans une réédition de son livre postérieure à la découverte des trois lois gouvernant les orbites planétaires, Kepler n’a rien modifié. Et c’est peut-être cela qui a amené le propos un peu méprisant de Galilée : « Comment une telle outre… peut contenir du bon vin ».

Le bond en avant des instruments d’observation

Duna : Je suppose que débuta alors la course aux appareils d’observation de plus en plus sophistiqués.

Pierre : Quelques photos illustreront la progression mieux que toute dissertation.

Duna : Mais ces instruments ne sont que des perfectionnements le la lunette de Galilée ?

Pierre : Le même principe physique est employé, à savoir la « réfraction » de la lumière. Avec deux lentilles comme le montre le schéma. Le progrès vint de la dimension, de la composition et de la qualité de ces lentilles.

Les télescopes

Duna : Et les télescopes ?

Pierre : Son inventeur est Newton. Comme tu le constates sur le croquis, il comporte deux miroirs, un grand qui réfléchit la lumière sur un petit qui retourne la lumière à l’oculaire.

Duna : Et la suite ?

Pierre : Je ne vais pas t’accabler avec des détails techniques. Rien que la différence de taille entre celui de Newton et celui de Herschell prouve la progression des dimensions des appareillages qui permettront évidemment d’affiner les observations.

Duna : Et la course au gigantisme des appareils a continué ?

Pierre : Je me rappelle encore mon enthousiasme lorsqu’a été construit le grand télescope du Mont Palomar avec son miroir de cinq mètres. de diamètre. Et pourtant il a été suivi en 1973 par un plus grand télescope Bta-6 dont la pièce maîtresse, le miroir, était d’un diamètre encore plus grand. Et puis par d’autres !

Duna : Des installations récentes ?

Pierre : Oui, avec les deux télescopes de l’observatoire « W.M. Keck » installé en 1993 et 1996 sur le mont Mauna Kea de l’île d’Hawaï, et tous deux avec un miroir de dix mètres de diamètre.

Duna : Pourquoi deux télescopes semblables côte à côte ?

Pierre : Par l’intermédiaire de l’interférométrie optique on obtient une résolution optique équivalente à celle d’un miroir de 83 mètres de diamètre.

Duna : Y en a-t-il eu d’autres installés par après ?

Pierre : Le « Large Binocular Telescope », a été inauguré en 2004 et est opérationnel depuis 2006. Il est très particulier parce qu’il comporte deux miroirs de 8 mètres 40 de diamètre. Il est le télescope optique le meilleur en termes de résolution.

Duna : Un autre ?

Pierre : C’est le « Gran Telescopio Canarias » installé sur l’île de La Palma en 2007. Ses observations ont commencé en juillet 2009. Il est équipé d’un miroir de 10 mètres 40.

Le spectre électromagnétique

Duna : Mais n’y a-t-il pas d’autres radiations du spectre électromagnétique qui sont utilisées en plus de celles de la « lumière visible » ?

Pierre : La lumière visible, celle que l’être humain perçoit, n’est qu’une partie peu étendue de ce spectre. Comme le montre le schéma ci-dessous, existent en plus de l’ultraviolet et de l’infrarouge, d’un côté les rayons X et g, et de l’autre les micros ondes, ainsi que les ondes radio et radar.

Duna : Sans entrer dans trop de détails techniques, par quoi sont-elles produites ?

Pierre : Les ondes radio et radar par des courants électriques à haute fréquence ; la lumière visible, l’ultraviolet et l’infrarouge par des réarrangements électroniques au sein des atomes ; les rayons X et g par divers phénomènes au sein de l’atome.

Duna : Comment les distingue-t-on les uns des autres, principalement ceux qui sont invisibles à l’œil humain ?

Pierre : Par leur fréquence ou ce qui revient au même leur longueur d’onde. Ou encore leur énergie. Mais t’en dire plus entraînerait la discussion au delà du but recherché. Sache que ces « radiations » existent et qu’elles ont été utilisées lorsqu’elles n’étaient pas captées par les gaz de l’atmosphère terrestre.

Duna : Sois plus explicite !

Pierre : Les radiations infrarouges par exemple sont absorbées par la vapeur d’eau des nuages. Les rayons ultraviolets, les rayons X sont arrêtés par la couche d’ozone. Il a fallu l’arrivée des appareils placés sur orbite pour les utiliser.

Les radiotélescopes

Duna : En est-il de même pour les ondes radio ?

Pierre : Non. Mais ce n’est qu’en 1933 qu’a été capté par Karl Janski un signal radio extra-terrestre avec une période de 23h 56m.

Duna : Que signifiait cette période ?

Pierre : C’est la durée d’un « jour sidéral », c’est-à-dire le temps mis par une étoile dite fixe pour se retrouver au même emplacement le lendemain.

Duna : Et des « radiotélescopes » ont été construits après cette découverte ?

Pierre : Par un amateur en 1937. Avec des radars militaires après la fin de la guerre. Et comme pour les télescopes optiques, cela ne s’est pas arrêté.

Duna : Des exemples !

Pierre : Il y le radiotélescope russe « Ratan-600 » mis en service en 1974. Je puis te citer le « very large array » installé au Nouveau Mexique (USA) qui comporte 27 antennes paraboliques de 25 mètres de diamètre chacune. Il a une résolution angulaire de 5 centièmes de seconde d’arc.

Duna : Ce sont les seuls ?

Pierre : Non. Le radiotélescope d’Arecibo avec son antenne sphérique de 305 mètres de diamètre installé dans une dépression.

La spectroscopie

Duna : Tu as utilisé le substantif « spectre » pour qualifier l’ensemble de ces radiations électromagnétiques : pour quelle raison ?

Pierre : Le premier usage du mot doit être attribué à Isaac Newton.

Duna : Comment cela ?

Pierre : En 1666, il a montré que la lumière « blanche » venant du soleil était en fait une association de radiations de couleur différente. En faisant passer un rayon lumineux à travers un prisme de verre, il a séparé ces différentes couleurs.

Duna : Cette faculté est-elle utilisée pour l’observation de lumières venant de l’espace ?

Pierre : La spectrométrie étudie le spectre de ces lumières. Mais entendons-nous sur ce terme « lumières » : il ne désigne par uniquement la lumière visible mais tout le rayonnement électromagnétique quelle qu’en soit la fréquence.

Les télescopes spatiaux

Duna : Et les télescopes spatiaux ?

Pierre : Je ne citerai que le télescope Hubble qui est situé sur une orbite située à 582 kilomètres de la surface terrestre, une orbite qu’il parcourt en cent minutes. Sa résolution est dix fois supérieure à celle d’un télescope de même catégorie installé sur terre, une résolution optique de moins de 0.1 sec d’arc ! Son miroir primaire a un diamètre de 2 mètres 40. Son appareillage est sensible aux radiations infrarouges, à la lumière visible et à l’ultraviolet. Il est associé à un spectroscope et dispose de trois caméras, l’une pour les objets peu lumineux, une deuxième pour l’infrarouge et la troisième pour les images « planétaires ». Mis sur orbite en avril 1990, il sera remplacé en 2014 par le James Webb Space Telescope.

Duna : Et comment la collecte d’informations est-elle transmise sur terre ?

Pierre : Les données sont enregistrées, numérisées et envoyée par radio.

Duna : Comment est-il alimenté en énergie ?

Pierre : Deux grands panneaux solaires l’alimentent en électricité.

Pierre : Mais pourquoi un télescope spatial ?

Pierre : Ce télescope se trouve en dehors de l’atmosphère terrestre, ce qui permet d’éviter les turbulences dont celle-ci est le siège. De plus on évite que soient absorbées certaines longueurs d’onde des radiations électromagnétiques, et surtout en ce domaine le rayonnement infrarouge.

Les sondes spatiales

Duna: Il y a aussi les sondes spatiales!

Pierre : En 1957, lorsque j’ai entendu les « bip-bip » du premier satellite, le « Spoutnik » lancé par l’Urss, j’étais ému, mais loin d’imaginer tout ce que cela pouvait donner pour la progression des connaissances. La sonde américaine « Explorer 6 » inaugura en 1959 l’envoi de photographies prises dans l’espace, notamment par celle de la terre. La sonde « Luna 1 » devint la même année le premier satellite à orbiter autour du soleil, et cela parce qu’elle avait raté sa mission qui était de s’écraser sur la lune. Toute une époque ! Je me souviens de l’attention que l’on portait à chaque lancement de satellite.

Duna : On est loin du compte à l’heure présente !

Pierre : Les tableaux ci-après donnent un aperçu des objectifs de différentes sondes spatiales. Commençons par celui qui donne le survol de 7 planètes du système solaire :

AnnéeNom du satelliteObjectif
1962Mariner 2Survol de la planète Vénus
1964Mariner 4Survol de la planète Mars
1974Mariner 10Survol de la planète Mercure
1973Pionner 10Survol de la planète Jupiter
1979Pionner 11Survol de la planète Saturne
1979Voyager 1 et 2Survol de la planète Jupiter
1980-81Voyager 1 et 2Survol de la planète Saturne
1986Voyager 2Survol de la planète Uranus
1989Voyager 2Survol de la planète Neptune
1991GalileoSurvol de l’astéroïde Gaspra

Une sonde, News Horizons, lancée en 2006 est programmée pour survoler la planète Pluton en juillet 2015.

Le tableau suivant fournit des données sur les sondes qui ont atteint la surface de planètes ou satellites de planètes.

AnnéeNom du satelliteObjectif
1959Luna 2Pose sur la Lune, satellite de la Terre
1966Venera 3Pose sur le sol de la planète Vénus
1976Viking 1Pose sur le sol de la planète Mars
2001Near ShoemakerPose sur Éros, satellite de la planète
2005HuygensPose sur Titan, satellite de la planète Saturne

Un dernier tableau est consacré à la mise en orbite de sondes autour de planètes, satellite planétaire et même d’un astéroïde.

AnnéeNom du satelliteObjectif
1966Luna 10Autour de la Lune, satellite de la Terre
1971Mariner 9Autour de la planète Mars
1975Venera 9Autour de la planète Vénus
1995GalileoAutour de la planète Jupiter
2000Near ShoemakerAutour de l’astéroïde Éros
2004Cassini-HuygensAutour de la planète Saturne

Duna : Et dans le futur immédiat ?

Pierre : La sonde Messenger devrait orbiter autour de Mercure en 2011.

Intervention de la photographie et d’…!

Duna : Tout cela n’aurait pas été possible sans de multiples inventions technologiques des cent dernières années.

Pierre : Par exemple la photographie : des objets très peu lumineux demandent en effet des temps de pose importants, parfois des heures, pour être perçus. Auparavant, ils étaient ignorés. Mais il ne faut pas non plus passer sous silence toutes l’ingéniosité qu’il a fallu déployer dans le domaine des télécommunications et de l’informatique et j’en passe.

Duna : Restons-en là pour aujourd’hui. Et attends demain pour me parler de ce que tous ces développements technologiques ont permis pour la progression de la connaissance.

Informations complémentaires

Année

2012

Auteurs / Invités

Pierre J. Mainil

Thématiques

Éducation aux sciences, Sciences, Utilisation des sciences