4.14 - La preuve qui manquait : l'aberration de la lumière

Nous sommes à la fin des années 1600. Copernic, Galilée, Kepler, Newton et bien d'autres ont révolutionné notre vision du monde en proposant des modèles qui permettaient pour la première fois d'être si précis qu'on pouvait maintenant prévoir les transits des planètes et le retour des comètes !

Mais cette précision dans les prévisions ne voulait pas forcément dire que le modèle sur lequel elles s'appuyaient (le modèle héliocentrique) était le bon. D'ailleurs, cette théorie était toujours censurée !

Il fallait encore trouver une véritable preuve que ce n'était pas le Soleil qui tourne autour de la Terre, mais l'inverse.

Naturellement, il parut évident que la preuve viendrait de la détermination de la parallaxe des étoiles, mais jusqu'à présent personne ne l'avait mise en évidence... enfin pas tout à fait... pour être plus exact, des astronomes, à l'époque de Newton, avaient bien réussi à calculer une variation d'angle sous lequel on voyait les étoiles, mais elle était tellement étrange, tellement contraire à la théorie qu'on préféra faire profil bas et la passer sous silence jusqu'à ce qu'on en ait l'explication exacte...

Avant de commencer, voici un petit rappel sur ce qu'on appelle la parallaxe des étoiles.

Si vous vous souvenez du chapitre consacré à la triangulation, lorsqu'on se déplace, l'angle sous lequel on voit les objets par rapport à un point de référence situé à l'infini change...

Ainsi, cette fameuse variation d'angle permet donc d'en déduire la distance de l'objet si on connait de quelle distance on s'est déplacé.

• Pour Mars, par exemple, la parallaxe de Mars est la variation de l'angle sous lequel on voit Mars en se déplaçant d'un rayon terrestre (6370 Km). C'est aussi l'angle sous lequel on verrait le rayon terrestre si on était situé sur Mars.

• Pour Le Soleil, c'est le même principe, la parallaxe du Soleil est la variation de l'angle sous lequel on voit Le Soleil en se déplacant d'un rayon terrestre (6370 Km). C'est aussi l'angle sous lequel on verrait le rayon terrestre si on était situé sur Le Soleil.

• Pour les étoiles, il ne s'agit pas de se déplacer seulement d'un rayon terrestre, mais d'une Unité Astronomique, c'est à dire 23500 fois plus. C'est à dire qu'avec cette méthode et avec les même moyens que Cassini avait utilisés pour calculer la distance de Mars, on pourrait alors mesurer la distance d'objets 23500 fois plus éloignés que Mars !

Au moment du calcul de Cassini, Mars était à 50 millions de Km, soit 0,33 UA, ce qui signifie que si les étoiles sont à moins de 7833 UA, on devrait pouvoir mesurer leur parallaxe. Par contre, si leur distance est plus grande, alors il faudra attendre quelques années encore avant que la technologie nous permette de la mesurer...

7833 UA représente environ 0,12 Année-lumière, c'est à dire que nous sommes très loin de l'étoile la plus proche Proxima du Centaure qui est à 4,24 Années-lumière. Galilée avait donc raison : il était impossible à cette époque de mesurer la parallaxe des étoiles... Mais ça, à cette époque, on ne savait pas que c'était impossible !

Si on arrivait à mesurer la parallaxe d'une étoile, par quoi cela se traduirait donc ?

Regardez le dessin ci-contre. Tout comme lorsqu'on se déplace vers la droite, nous voyons les objets qui nous sont proches se déplacer vers la gauche, le déplacement de la Terre sur son orbite nous donne l'impression que les étoiles se déplacent.

Vous vous souvenez que la direction de référence sur l'écliptique s'appelle le point vernal : c'est le point où se trouve le Soleil à l'équinoxe de printemps le 21 mars.

Au mois de Mars, donc, si le Soleil se trouve en direction du point vernal, cela signifie que la Terre se trouve très en arrière du Soleil par rapport au point vernal, et donc les étoiles doivent nous sembler se décaler légèrement vers le point vernal. En septembre, la Terre est à l'opposé de sa position de Mars, et donc les étoiles doivent nous sembler se décaler vers la direction opposée du point vernal.

En juin, les étoiles semblent se décaler vers la gauche par rapport à la direction du point vernal, et en Décembre, vers la droite.

Donc le challenge était d'importance : si on arrivait à découvrir ce mouvement, alors on pourrait calculer la distance des étoiles et surtout on prouverait enfin que c'est la Terre qui tourne autour du Soleil et non l'inverse !

Comme je vous disais plus haut, certains astronomes dont l'abbé Picard avaient déjà réussi à calculer une variation dans la position des étoiles, mais elle ne correspondait pas du tout à la théorie que je vous ai expliquée plus haut !

Alors qu'on s'attendait à ce que les étoiles glissent vers le point vernal au mois de mars, elles le faisaient au mois de juin ! En fait, il y avait trois mois de décalage avec la réalité !

Le décalage observé était une ellipse de demi grand axe de l'ordre de 20'' (0,00555°), soit une balle de ping pong vue à 200 mètres.

En appliquant la trigonométrie, on en déduirait que la distance de l'étoile est de UA/tan(0.00555°) = 10313 UA, soit 0,163 Année Lumière... Sauf que le déplacement des étoiles avaient trois mois de retard...

Quel était donc ce mystère ?

En 1729, un certain James Bradley eut une idée soudaine en voyageant sur un bateau... Il voyait alors que les drapeaux sur le bateau ne se dirigeaient ni dans le même sens que les drapeaux situés sur la terre ferme, ni vers l'arrière du bateau. En fait, ils se dirigeaient vers une direction intermédiaire...

Regardez la petite bande dessinée ci-contre : on y voit notre amis Satanas  se prendre une enclume tombée du ciel alors qu'il roule à grande vitesse.

Si nous superposons ces trois images, nous obtenons ceci :

Nous y voyons nettement Satanas et son bolide filant vers la gauche, et l'enclume tombant du haut vers le bas.

Si maintenant nous superposons ces trois images en les centrant sur la voiture de Satanas (c'est à dire en se plaçant dans le référentiel de Satanas), nous obtenons ceci :

On ne voit plus alors l'enclume se déplacer de haut en bas, mais de la gauche vers la droite, en diagonale.

Cela signifie que, depuis sa voiture, Satanas n'a pas l'impression que l'enclume tombe verticalement. Il a l'impression que l'enclume vient presque d'en face de lui.

Vous avez surement déjà observé ce phénomène en roulant en voiture sous la pluie ou sous la neige. A travers le pare-brise, on a l'impression que la pluie arrive de devant nous et plus la vitesse de la voiture est importante, plus on aura l'impression que la pluie ou la neige vient à l'horizontale en face de nous.

Remplaçons maintenant Satanas par un astronome et l'enclume qui tombe par la lumière d'une étoile située au-dessus de lui.

Si l'astronome est immobile il verra alors la lumière de l'étoile (et donc l'étoile) venir au-dessus de lui. Par contre s'il est en mouvement (ou situé sur une planète en mouvement), alors il aura l'impression que la lumière vient de devant lui et donc que l'étoile est plus devant lui qu'elle n'est en réalité....

Et si c'était ce phénomène qui était responsable de notre observation étrange des étoiles....

C'est exactement ce que ce dit Bradley. Tout d'abord, il fallait que l'observation coresponde à la théorie.

Contrairement à la parallaxe où la variation de la position de l'étoile observée dépend de la distance entre les points d'observation, dans le cas de la lumière "enclume", le décalage provient de la vitesse. Et comme dans un mouvement circulaire, la vitesse est perpendiculaire au rayon (donc à la distance au Soleil), alors ce phénomène doit entrainer un décalage de 90° des variations par rapport à celles de la parallaxe, c'est à dire 3 mois : C'était exactement ce qui se passait !

De plus, Si c'était bien le cas, alors, connaissant la vitesse de la lumière grâce à Roemer, et connaissant la distance de la Terre au Soleil grâce à Halley (et donc la vitesse de révolution de la Terre autour du Soleil), on pourrait alors calculer l'angle de décalage théorique et regarder s'il correspond à la réalité.

Alors... voyons un peu... La distance Terre-Soleil est de 1 Unité Astronomique, c'est à dire 150000000 km. Comme la Terre fait un tour complet en 365,25 jours, alors elle parcourt 150000000 × 2 × Π = 942 477 796 km pendant cette durée, ce qui nous fait au final une vitesse moyenne de :

942477796/(365,25×24×60×60)= 29,86 km/s.

On sait aussi depuis peu que la vitesse de la lumière est de l'ordre de 300000 km/s.

Regardez le dessin ci-contre qui montre un téléscope pointé sur une étoile située exactement au-dessus de la tête de l'astronome en plein mois de septembre (étoile orange).

A t₀, la lumière de l'étoile arrive au niveau de l'objectif du télescope. A t₁, la lumière a parcouru la moitié du tube du télescope, mais pendant ce temps, à cause de la vitesse de la Terre autour du Soleil, le télescope a bougé vers le droite.

Vous voyez bien que si le télescope avait été dirigé exactement vers la position réelle de l'étoile, alors la lumière de l'étoile serait venue frapper la partie intérieure gauche du télescope et ne serait jamais donc arrivé jusqu'au fond...

La lumière, finalement arrive au niveau de l'oculaire du télescope au temps t₂, et on voit que le télescope pointe en fait vers une position observée de l'étoile qui n'est pas la position réelle (étoile bleue).

Si l'observation avait été faite au mois de mars, pendant que la Terre de dirige exactement dans l'autre sens, alors le décalage aurait été inversé.

Essayons de calculer cet angle :

Entre t₀ et t₂, la Terre a parcouru une distance (d=v.t) de d_t =29.86×(t₂-t₀)

Entre t₀ et t₂, la Lumière a parcouru une distance (d=v.t) de d_t =300000×(t₂-t₀)

Dans notre exemple, la lumière arrivant perpendiculairement au déplacement de la Terre, nous avons un triangle rectangle et nous pouvons appliquer la trigonométrie :

tan(a) = distance parcourue par la Terre / Distance parcourue par la lumière = 29,86/300000

Et donc

a = tan^-1(29,86/300000) = 0,0057°= 20,53''

Cet angle doit être doublé étant donné que si au mois de septembre, l'étoile nous apparait décalée vers la droite de 20,53" par rapport à la position réelle, elle nous apparait décalée du même angle, mais vers la gauche au mois de mars. Ce qui nous fait au total un angle de 41", exactement l'angle observé par les astronomes !!!

Cette fois, cela ne faisait aucun doute, l'explication était la bonne et donc, pour la première fois, on avait la preuve irréfutable que c'était bien la Terre qui se déplaçait autour du Soleil et non l'inverse !

Et pourtant, 185 ans s'étaient écoulés depuis Copernic.

L'interdiction sur les ouvrages prônant la théorie copernicienne sera officiellement levée en 1757....

Le modèle géocentrique de Ptolémée était alors définitivement enterré, après avoir tenu pendant 1600 ans !!!

Et comme une réponse apporte souvent aussi dix questions supplémentaires, cette découverte ne fit pas exception à la règle :

• Nous avons prouvé que la Terre tourne autour du Soleil. Donc cela signifie que la fameuse parallaxe des étoiles existe. Comment allons-nous maintenant réussir à trouver cette toute petite parallaxe sachant que l'observation sera polluée par l'aberration de la lumière ? Il faudra réussir à enlever du mouvement observé de l'étoile sur une année l'aberration de la lumière, et alors seulement, le mouvement restant sera cette fameuse parallaxe... enfin... en supposant que les étoiles soient immobiles...
• La vitesse de la terre fait que les objets nous apparaissent plus en avant qu'ils ne sont en réalité. Si la vitesse de la terre était plus importante, cette aberration serait aussi plus grande et les étoiles nous paraitraient plus en avant. Si nous étions dans un vaisseau allant à une vitesse proche de la lumière, les étoiles nous sembleraient toutes être rassemblées dans une seule zone : la zone où se dirige le vaisseau.
• La vitesse modifie la perception du monde qui nous entoure. Que verrions-nous si nous allions à la vitesse de la lumière ? et si nous allions plus vite ? D'ailleurs, la vitesse de la lumière peut-elle être dépassée ?

Comme vous le voyez, cette découverte allait ouvrir la voie de nombreuses autres théories dans le futur, relativité en tête. Le premier calcul d'une parallaxe n'arriva que cent ans plus tard (1821) et la fameuse expérience de Michelson (que nous aborderons dans une annexe), en 1887, de laquelle découleront toutes les théories relativistes.

Comments

[Hiroji kurihara]

Aether

Speed of light relative to mediums (water or air) is constant. Speed of light relative to aether (physical substance) is constant also. Aberrations show this.

[astronomie-smartsmur]

Hi Hiroji ! Can you develop, please ? What do you mean by « constant » ?

[Hiroji kurihara]

Bradley found annual aberration. In books, a picture of eclipse is shown. But, this eclipse must be warped by the motion of the solar system (in linear motion). With this warp, we can clarify our motion relative to aether.

[hiroji kurihara]

About secular aberration (a question)

How about if we measure annual aberration (with today's apparatus) of the same star again that Bradley measured (γ star of the Draco : Eltanin) ? How about the effect caused by the uniform linear motion of the solar system ? A book says that secular aberration cannot be measured because the real position of fixed stars are unknowable. This explanation is unacceptable.

Sorry, I cannot receive E-mail. I do not have PC.

http://www.geocities.co.jp/Technopolis/2561/eng.html

[Smartsmur]

Bonjour Hiroji

Il existe trois aberrations principales lorsqu’on observe une étoile.
- L’aberration diurne due à la rotation de la Terre et qui se traduit par une variation quotidienne de la position de l’étoile. Cette variation peut être mesurée.
- L’aberration annuelle due à la révolution de la Terre autour du Soleil et qui se traduit par une variation annuelle de la position de l’étoile. Cette variation peut aussi être mesurée
- L’aberration séculaire due à la combinaison de la vitesse propre de l’étoile et de celle du Système solaire. A l’échelle humaine, ce mouvement est rectiligne uniforme et ne provoque pas de variation de la position de l’étoile. Il ne peut donc pas être mesuré. En revanche, il peut être calculé si on connait la vitesse relative de l’étoile par rapport au Système solaire (par effet Doppler par exemple).
Ce que le livre dont vous faites référence veut certainement dire, c’est que la position réelle de l’étoile, due à l’aberration séculaire, ne peut pas être mesurée, en revanche elle peut être calculée.
C’est un peu comme si vous regardez une bille dans un verre d’eau… soit vous tournez autour du verre et dans ce cas vous pourrez mesurer son emplacement exact, soit vous n’avez pas le droit de bouger et ne pourrez pas mesurer son emplacement exact. En revanche si vous connaissez les indices de réfraction de l’eau et de l’air, vous pourrez, à partir de l’observation et même sans bouger, calculer la position de la bille.
C'est toute la différence entre la mesure et le calcul

J'espère avoir répondu à votre interrogation

[DURAND]

Bonjour,



Pourriez vous m'expliquer pourquoi deux étoiles très proches subissent les mêmes effets de l'aberration.
Ceci me permettra de mieux comprendre la démarche de Bessel pour mesurer une parallaxe.
Pourriez vous me prouver que la différence entre un maximum et un minimum de la sinusoïde obtenue après filtration de l'aberration est justement la parallaxe de l'étoile.
En vous remerciant,

Jean Jacques

[astronomie-smartsmur]

Bonjour Jean-Jacques et merci pour votre commentaire.
L'aberration de la lumière est due au déplacement de la Terre. Ainsi, les objets ont tendance a être vus légèrement plus en avant (en avant par rapport à l'endroit où se dirige la Terre) qu'ils ne sont en réalité.Pour une étoile se situant exactement dans la direction où se dirige la Terre, l'aberration de la lumière serait nulle. En revanche, pour une étoile située perpendiculairement à la direction de la Terre, elle serait maximale.
L'aberration augmente donc progressivement en fonction de l'angle entre la direction de la Terre et la position de l'étoile. Si deux étoiles sont très proches, alors leur angles par rapport au déplacement de la Terre sont quasi identiques et donc l'aberration de la lumière est aussi quasi identique.
Si vous êtes intéressé par la démarche de Bessel, je vous invite à regarder le petit chapitre :
http://astronomie-smartsmur.over-blog.com/article-v-1-la-distance-de-la-premiere-etoile-103184752.html
qui est consacré justement à sa démarche et au calcul de la distance de l'étoile 61 Cygni

En espérant que cela apportera des réponses à vos questions.

[M-A JEULLIAU]

BonTout,


Cette ''ASTRONOMIE AUTREMENT'' est réussie comme j’ose espérer que le sera ce que j'ai essayé
de partager et faire connaître en lançant sur un coup de tête et dans la hâte (le 10 mars 2012) un blog où j’expose -comme jetées dans une bouteille à ‘‘l’amer…’’- les 40 années de ’’réflexions’’
de l’amateur autodidacte que je suis resté.


En effet ces ‘‘recherches’’ effectuées dans l’art permettent (bien qu’encore à moi seul et
dans mon Univers … autrement dit dans celui que je suis encore seul à percevoir bien qu’en employant in fine la démarche scientifique) de retracer une histoire de l’Univers perçu par l’humanité
savante en ne se servant que d’un seul principe agissant dans un seul substratum spatial.


Le nouveau paradigme obtenu permet de réinterpréter et retrouver de façon très simple tout ce
que la physique fondamentale à mis en lumière. Espace, temps, matière et forces ne seraient que des perturbations à caractère ondulatoire, dont les quanta(s) d’énergie ne seraient que des
ébranlements transversaux en forme d’anneaux solitons. Et cela sans matériel et … sans maths.


C’est qu’en effet, si le langage mathématique s’applique et réussit dans notre Univers c’est
que l’énergie qui en matérialise « CE QUI EST » est quantifiée, autrement dit peut être l’objet d’opérations arithmétiques et de ‘‘compositions’’ mathématiques. La mathématique apparait
ainsi comme étant à la physique ce qu’est la musique au ressenti. Ces langages  permettent une infinité de traductions et interprétations d’un réel
dont l’essence leur échappe.


La preuve qui manquait … ! ? Voilà bien longtemps déjà le phénomène de l’aberration
de la lumière des étoiles (que j’ai retrouvé ici avec plaisir) m’avait permis d’imager une expérience (parmi d’autres…) qui remettait en cause la relativité galiléenne et par conséquent
einsteinienne* … ! ?  (*dont les réelles et ‘‘relativement absolues’’ découvertes sont intégrées dans la théorie éditée sur le blog
ci-dessous)


Si ça vous intéresse, en 1991 cela n’avait pas pu être contredit par deux directeurs
d’universités de physique cités en préface dans mon blog je crois …) et c’est à l’une des adresses suivantes :


http://pourtoutetrienunprincipestructurantdelinteraction.blogs.sciencesetavenir.fr/archive/2012/03/10/presentation.html 


ou : Un quatre à quatre pour TOUT terRIEN. A Sisyphe.


M&A J.