3.9 - Le début de la fin ou la révolution en marche

Après quatre siècles d'avancées importantes caractérisées par les démonstrations des chapitres précédentes et les travaux d'Aristarque, d'Eratostène et d'Hipparque, prouvant au monde entier que nous étions en capacité de comprendre le monde qui nous entoure, après la création du calendrier Julien prouvant lui aussi que la maîtrise du temps était une chose avérée, il était temps de faire une petite pause et surtout de faire le point.

C'est exactement ce que fit Ptolémée vers l'an 150 dans son Almageste. Il y recueillit toutes les connaissances d'astronomie de l'époque en 13 livres. Il y explique les tables de trigonométrie, définit et calcule la durée de l'année solaire, le calcul du diamètre de la Lune, du Soleil ainsi que leurs distances, explique la précession des équinoxes (découverte par Hipparque), établit un catalogue de 1022 étoiles et 48 constellations, et enfin publie une modélisation du système Solaire qui explique les mouvements des planètes.

Bien qu'à l'époque Aristarque ait émis l'hypothèse que ce soit la Terre qui tourne autour du Soleil et non l'inverse, cette idée était tout de même très déplacée et assez risquée ! Le géocentrisme était LA solution qui flattait l'ego de l'homme, satisfaisait les religions et surtout correspondait à la première impression qu'on a lorsqu'on sort dehors : La terre est immobile et c'est le ciel qui tourne autour !. Le modèle de Ptolémée allait donc parfaitement dans ce sens-là et devint très rapidement une référence.

Son modèle géocentrique était particulièrement convainquant car il expliquait :

• La variation de vitesse angulaire des planètes

• La variation de luminosité des planètes

• Les mouvements rétrogrades

Avec autant d'atouts, il était évident que ce modèle avait de beaux jours devant lui !

En fait, il faisait intervenir la notion d'épicycle, génialement introduite vers 200 avant JC par Apolinos de Perga. L'épicycle est en fait une roue, dont le centre est situé sur l'orbite de la Planète et qui tourne plus ou moins vite. Le centre de l'épicycle parcourt donc un cercle, mais la planète, placée sur le bord de cet épicycle, décrit une sorte de serpentin.

Vous allez vite vous rendre compte à quel point cette modélisation est géniale :

Suivons deux planètes dans leur révolution. Une bleue qui représente la Terre et une rouge qui représente Mars. Le Soleil est au milieu et nous sommes dans un système Héliocentrique. Pour simplifier, nous allons partir du principe que la Terre tourne autour du Soleil deux fois plus vite que Mars.

Suivons maintenant la position de ces planètes avec une photo tous les 3 mois durant deux années. Au bout de deux ans, la Terre aura fait deux fois le tour du Soleil et Mars n'en aura fait qu'une fois le tour.

A chaque photo, nous relions d'un trait noir la Terre et Mars, ce qui nous permet de matérialiser plus facilement la distance et l'angle entre les deux.

Quel mouvement mars fait-il autour de la Terre ?

Posée autrement, la question revient à dire :

Si on ramenait tout cela dans un système Géocentrique, quelle serait la trajectoire de Mars autour de la terre ?

Pour cela, rien de plus simple :

On prend tous les bâtons « Terre - Mars » que nous avons créés, on les découpe, et on les recentre tous sur la Terre : Nous obtenons alors ceci :

Nous obtenons une sorte de coeur. C'est ce que nous appelons le déplacement relatif de Mars par rapport à la Terre. Dans le modèle géocentrique, c'est son déplacement réel.

Bien entendu, les anciens n'ont pas connaissance de cette forme puisqu'ils ne peuvent pas calculer la distance de Mars, mais ils en perçoivent les conséquences directes :

• Entre les deux mois de janvier la distance Terre-Mars a beaucoup augmenté donc l'éclat de Mars a diminué

• Entre Janvier et Avril de la Première année, Mars ne bouge pas beaucoup dans le ciel. Par contre, entre Janvier et Avril de la deuxième année, Mars a parcouru plus de 45° dans le ciel. Donc la vitesse angulaire de Mars change.

• Au mois de janvier, la luminosité de Mars augmente subitement et elle fait même demi tour dans le ciel pendant quelques temps (qui n'est pas visible dans notre schéma, mais dont nous avons parlé dans un chapitre précédent)

Il est donc évident pour les géocentristes que Mars ne peut effectuer un cercle parfait autour de la Terre. Car dans ce cas, sa distance (donc sa brillance) et sa vitesse auraient été constantes. 

 Ptolémée expose la solution du problème dans son Almageste avec les Épicycles :

Imaginons maintenant que mars tourne autour de la Terre et qu'en même temps, tourne autour de son épicycle à la même vitesse angulaire que la Terre (un tour complet en un an) :

Si maintenant on refait le même exercice que précédemment en regroupant tous les segments autour de la Terre, on obtient :

... La même chose !

Donc les épicycles expliquent la différence de brillance de Mars, la variation de la vitesse angulaire de Mars,  le mouvement rétrograde de Mars et tout cela dans un modèle géocentrique. De plus, les épicycles sont des cercles (figure parfaite) et sont donc en accord avec des phénomènes divins. Le résultat est si proche de la réalité, qu'il va devenir rapidement quasiment impossible à mettre en défaut.

Ce modèle ne connut aucune concurrence sérieuse pendant 1400 ans, et bien que certain aient essayé, par-ci, par-là de parler de leur fumeuse théorie héliocentrique, ils étaient tous ridiculisés, voire brûlés pour hérésie car ils n'avaient aucun moyen de prouver ce qu'ils avançaient.

En 1543, Copernic fut le premier à véritablement étayer sa théorie héliocentrique par un modèle mathématique. Il n'osa pas la publier avant sa mort et l'ouvrage fut bien évidemment très critiqué à sa sortie. En revanche, il fut véritablement une source de motivation et d'inspiration pour tous ceux qui dans les années à venir, allaient défendre et tenter de prouver, coûte que coûte, que c'était cette théorie qui était la bonne.

L'évolution fut lente. Il y eut tout d'abord Tycho Brahé, qui à force d'observations méticuleuses, était persuadé que les planètes tournaient autour du Soleil, toutes à l'exception de la Terre, bien entendu. Le Soleil et la Lune tournaient bien autour de la Terre, mais les autres planètes tournaient autour du Soleil. Brahé n'était semble-t-il pas convaincu par ce modèle, mais ses convictions religieuses le ramenaient éperdument vers une Terre au centre de l'univers... ce qui finit de le convaincre, c'était que si la Terre tourne autour de la terre, on devrait observer une parallaxe des étoiles, or il n'y en avait pas... Nous reviendrons précisément sur ce point dans quelques lignes.

Il inventa donc le modèle Géo-Héliocentrique  ci-contre avec  :

- Le Soleil et la Lune tournant autour de la Terre.

- Toutes les autres planètes tournant autour du Soleil.

Bien entendu, son nouveau modèle devait être prouvé. Pour cela, il fallait déjà observer sur une longue période la position des planètes et valider qu'elles suivaient son modèle théorique. Mais le télescope n'était pas encore inventé et il n'avait que ses yeux pour faire des relevés qu'il voulait pourtant très précis.

Il inve nta donc des sextants géants comme celui représenté ci-contre:

On est loin de Very Large Telescope ou du télescope spatial Hubble, mais son observatoire d'Uraniborg était à l'époque l'un des observatoires les plus modernes. Grâce à ce système de visée, il arrivait à pointer les astres avec une précision d' 1 minute d'arc (c'est à dire 1/60ème de degré, soit 1/30ème du diamètre de la Lune). Évidemment, même si 1 minute d'arc correspond à une précision tout à fait remarquable, c'était encore bien insuffisant pour déceler la fameuse parallaxe des étoiles (promis, nous allons bientôt parler de la parallaxe) et qui était elle de seulement 1 seconde d'arc (1/60ème de minute d'arc) au maximum.

Il nota entre 1585 et 1595, régulièrement et quand le temps le permettait, les coordonnées de nombreux astres dont Mars et le Soleil.

Pendant ces années, il nota que le mouvement de Mars n'était pas exactement conforme à ses prévisions, qui pourtant suivaient son modèle. Il conserva donc précieusement ses relevés et demanda à son disciple, un certain Johannes Kepler, d'analyser en détail la trajectoire de Mars et ses relevés. Nous consacrerons un chapitre spécial sur les travaux de Kepler.

Le coup dur fut véritablement porté par Galilée, qui fut le premier à utiliser sa fameuse Lunette astronomique en 1610. Il la pointa naturellement sur les objets les plus communs : La Lune, Le Soleil, Venus, Jupiter, Saturne... et il allait en avoir pour ses frais !

• La lune avait des trous et sa surface n'était pas lisse. Elle n'était donc pas si parfaite et immuable qu'on le croyait...

• Le Soleil avait des tâches, et n'était, contre toute attente, pas parfait non plus...

• Jupiter avait des satellites qui lui tournaient autour et ne tournaient donc ni autour de la Terre, ni autour du Soleil...

• Venus passait par des phases comme la Lune, preuve qu'elle passait derrière, puis devant le Soleil.

• Saturne avait des oreilles, mais là, personne ne savait ce que cela pouvait bien être...

Nous reviendrons aussi sur ces phénomènes observés par galilée, mais parmi ces observations, ce sont les phases de venus qui portèrent le coup de grâce au modèle de Ptolémée.

En effet, Dans le modèle de Ptolémée, Venus restait toujours entre la Terre est le Soleil. Elle devait donc toujours nous apparaître comme un croissant. Il était donc impossible de la retrouver presque pleine tout en étant proche visuellement du Soleil, car c'était la preuve qu'elle se trouvait derrière le Soleil...

Pourtant, c'est ce qui vit Galilée.

Ses observations ont permis quasi immédiatement d'enterrer le modèle de Ptolémée et ce fut le modèle géo-héliocentrique de Brahe qui devint le modèle officiel. C'est donc principalement pour s'être opposé à ce modèle que Gallilée eut tous les ennuis qu'on lui connaît !

Le souci venait essentiellement qu'aucun fait, aucune observation ne permettait de prouver que c'était la Terre qui tournait autour du Soleil et non l'inverse !

Pour les partisans du géocentrisme, l'absence de preuve constituait même une preuve contre. Ce sont ces arguments qui furent utilisés lors de l'audition de Galilée.

« Si la Terre tourne bien autour du Soleil, comme vous l'affirmez, et étant donné que nous savons que la distance du Soleil est très très grande, alors cela signifie que le cercle que décrit la Terre autour du Soleil est tout simplement gigantesque !

De ce fait, entre deux positions opposées sur ce cercle, l'angle sous lequel on voit les étoiles devrait changer, et le Nord qui pointe maintenant vers l'étoile polaire, ne devrait plus la pointer dans six mois (cf schéma ci-contre) !

Revenons dans six mois et vous constaterez comme moi que le nord pointera toujours l'étoile polaire. Ce sera donc la preuve que la Terre est immobile et donc au centre de l'univers »

Le souci, c'est que ce fameux angle est tellement petit du fait de l'éloignement des étoiles inimaginable à l'époque, qu'il était non mesurable avec les moyens dont disposaient les astronomes. Ils en ont donc conclu qu'il était nul et donc que la Terre était immobile.

Gallilée leur tint ces propos de l'éloignement des étoiles, mais encore une fois, qui n'étaient pas vérifiables, donc sans valeur.

Et c'était pourtant l'existence même de cet angle (ou parallaxe) qui allait peut être causer la fin du modèle géocentrique. Car nous verrons plus tard que sa recherche désespérée par les astronomes les entraînèrent vers une découverte non moins sensationnelle !

Il fallut attendre 1729, soient 120 ans après les premières observations de Gallilée et deux ans après la mort d'Isaac newton pour que la preuve de la théorie héliocentrique soit faite. 

L'important, c'est de comprendre qu'il n'y a pas une trajectoire, mais des trajectoires.

Ainsi, un homme assis dans un train en marche est mobile par rapport à la Terre, mais immobile par rapport au train. Quant au train, est-il mobile par rapport à la terre, ou bien est-ce la Terre qui bouge sous lui ? En fait, tout dépend du référentiel dans lequel on se trouve. En revanche, c'est le train qui a du produire une certaine énergie pour arriver à sa vitesse de croisière et non la Terre. Par ce fait, il nous est donc logique de dire que c'est le train qui bouge par rapport à la terre.

Il en est de même pour le mouvement de la terre...

- Dans un référentiel terrestre, elle est immobile

- Dans un référentiel Solaire, elle décrit un cercle (ou presque)

- Dans un référentiel de Vénus, elle décrit le même coeur que Mars décrit depuis la Terre

- Dans le référentiel d'une autre étoile, on la verrait décrire un mouvement plus compliqué de Spirale étant donné que le Soleil de déplace...

Bref nous étions sur le point d'entrer dans un nouvel âge de l'astronomie. C'est ce que nous allons découvrir ensemble dans la prochaine partie.

Mais avant d'étudier cette révolution, une petite introduction s'impose :

Le calcul des distances dans le grand siècle : Les périodes synodiques