Gears & Stars Une brève histoire de l’astronomie

Astronomie · Commencez ici

Les yeux vers le ciel

Une brève histoire de l’astronomie : comment nous sommes passés du comptage des lunes à la pesée des galaxies, et ce que nous ignorons encore.

Faites défiler pour commencer

Tôt ou tard, tous les enfants le font. Par une nuit claire, loin des réverbères, vous basculez la tête en arrière et le ciel vous regarde à son tour : des milliers d’étoiles, une pâle bande de lumière laiteuse et, de temps en temps, une traînée de feu qui disparaît avant que vous ayez pu la montrer du doigt.

Les humains lèvent les yeux ainsi depuis des dizaines de milliers d’années. Le ciel a à peine changé pendant tout ce temps. Ce qui a changé, ce sont les questions que nous avons appris à lui poser, et les outils que nous avons construits pour y répondre. Cette page en est la version courte. Les autres pages d’astronomie de Gears & Stars reprennent chacune une idée de cette histoire et vous laissent jouer avec.

Avant l’écriture · v. 40 000–1000 av. J.-C.

Le ciel comme calendrier

Les premiers astronomes étaient des chasseurs, des éleveurs et des agriculteurs qui avaient besoin de savoir quand : quand les troupeaux allaient se déplacer, quand le fleuve allait déborder, quand semer. Le ciel était la seule horloge qui ne tombait jamais en panne. Certains os entaillés de l’âge glaciaire pourraient être des décomptes des phases de la Lune.

Plus tard, les humains ont inscrit le calendrier dans le paysage. Stonehenge, en Angleterre, est aligné sur le lever du Soleil au solstice d’été et sur son coucher au solstice d’hiver. Le disque céleste de Nebra, enterré en Allemagne vers 1600 av. J.-C., montre le Soleil, un croissant de Lune et l’amas des Pléiades en bronze et en or. C’est l’une des plus anciennes représentations du ciel connues.

Pléiades : sept étoiles Croissant de Lune Arc d’horizon 82° : l’écart annuel des couchers Soleil ou pleine Lune Barque céleste
Le disque céleste de Nebra, d’environ 32 cm de diamètre, en bronze incrusté d’or. L’un des deux arcs d’horizon a disparu. Dessin simplifié.

Mésopotamie · v. 1700–300 av. J.-C.

Tout mettre par écrit

À Babylone, des scribes ont observé le ciel chaque nuit pendant des siècles et ont gravé ce qu’ils voyaient sur des tablettes d’argile. Une tablette donne les dates auxquelles Vénus est apparue et a disparu sur 21 ans. Avec des relevés aussi longs, des régularités commencent à apparaître.

Un cycle de Vénus : 584 jours Étoile du soir environ 263 jours Étoile du matin environ 263 jours invisible 8 jours invisible 50 jours 5 cycles = 8 ans, presque au jour près
Vénus est l’étoile du soir pendant environ 263 jours, disparaît, puis revient comme étoile du matin. Les Babyloniens ont noté ces dates sur l’argile. Le dessin de la tablette est décoratif.

Les Babyloniens ont découvert que les éclipses se répètent selon un cycle d’environ 18 ans, aujourd’hui appelé Saros, et ils savaient les prédire sans savoir ce qu’étaient vraiment le Soleil et la Lune. Leur façon de compter par soixante est toujours parmi nous : c’est pour cela qu’un cercle fait 360 degrés et une heure 60 minutes.

Grèce antique · v. 600 av. J.-C. – 150 apr. J.-C.

La géométrie rencontre le ciel

Les Grecs ont posé de nouvelles questions : non seulement quand, mais pourquoi et quelle taille. Vers 240 av. J.-C., Ératosthène apprit qu’à midi, le jour du solstice d’été, le Soleil éclairait le fond d’un puits à Syène, dans le sud de l’Égypte. À Alexandrie, plus au nord, un bâton vertical projetait au même moment une ombre courte, selon un angle d’environ 7 degrés.

Lumière du Soleil (rayons parallèles) 7° Centre de la Terre Alexandrie ombre de 7° Syène pas d’ombre
La lumière du Soleil arrive en lignes parallèles. L’ombre de 7° à Alexandrie est aussi l’angle entre les deux villes, vu depuis le centre de la Terre.

Sept degrés, c’est environ un cinquantième de cercle : la circonférence de la Terre devait donc valoir une cinquantaine de fois la distance entre les deux villes. Son résultat était proche de la valeur réelle de 40 000 km. Il n’a fallu qu’un bâton, une ombre et un peu de géométrie.

Aristarque proposa que la Terre tourne autour du Soleil, mais il convainquit peu de monde. Hipparque catalogua environ 850 étoiles et découvrit que tout le ciel oscille lentement, un mouvement qui prend environ 26 000 ans. L’Almageste de Ptolémée, écrit vers 150 apr. J.-C., plaçait la Terre au centre et faisait tourner les planètes sur des cercles portés par d’autres cercles. C’était faux, mais cela prédisait assez bien les planètes pour être utilisé pendant 1 400 ans.

Terre Planète Épicycle : un petit cercle… …qui tourne sur un grand Ensemble, ils tracent des boucles, comme la marche arrière des vraies planètes
Les cercles sur des cercles de Ptolémée. Les vraies planètes semblent parfois reculer pendant quelques semaines ; le petit cercle l’expliquait, avec la Terre toujours au centre.

Engrenages et étoiles

En 1901, des pêcheurs d’éponges découvrirent un bloc de bronze corrodé dans une épave d’époque romaine au large de l’île grecque d’Anticythère. Des radiographies révélèrent plus tard au moins 30 roues dentées à l’intérieur. La machine d’Anticythère, construite au IIe ou au Ier siècle av. J.-C., est un ordinateur du ciel actionné par une manivelle : elle indiquait la position du Soleil et de la Lune, la phase de la Lune et les dates des éclipses. Rien d’aussi complexe ne nous est parvenu des mille ans qui ont suivi.

Roue principale, actionnée par une manivelle Au moins 30 engrenages Une roue a 223 dents : les 223 mois lunaires du cycle des éclipses de Saros Les engrenages font d’une manivelle les vitesses du Soleil et de la Lune
La roue principale et un train d’engrenages de la machine d’Anticythère. Le nombre de dents est simplifié sur le dessin.

De Bagdad à Pékin · v. 800–1500

Garder la lampe allumée

Alors qu’une grande partie de ce savoir se perdait en Europe, les astronomes du monde islamique traduisirent les livres grecs, les confrontèrent au ciel et les corrigèrent. Beaucoup de noms d’étoiles que nous utilisons encore, comme Aldébaran, Bételgeuse et Véga, viennent de l’arabe. En 964, l’astronome persan al-Soufi décrivit un « petit nuage » près des étoiles d’Andromède. C’est la première mention écrite d’une autre galaxie.

À Samarcande, le souverain et astronome Ulugh Beg fit construire vers 1420 un observatoire avec un instrument taillé dans la colline, d’environ 40 mètres de rayon, pour mesurer les étoiles plus précisément que jamais. Loin à l’est, les astronomes chinois tenaient eux aussi des registres minutieux. En 1054, ils notèrent une « étoile invitée » assez brillante pour être vue en plein jour pendant plus de trois semaines. Aujourd’hui, nous pointons nos télescopes au même endroit et voyons la nébuleuse du Crabe, les restes de cette étoile qui a explosé.

Europe · 1543–1687

La Terre se met en mouvement

En 1543, Nicolas Copernic publia un livre qui plaçait le Soleil au centre. Tycho Brahe, sans télescope, mesura ensuite les planètes avec plus de précision que quiconque avant lui. Son assistant, Johannes Kepler, se battit pendant des années avec les chiffres de Tycho pour Mars, jusqu’à renoncer aux cercles parfaits : les planètes se déplacent sur des ellipses, plus vite quand elles sont proches du Soleil et plus lentement quand elles en sont loin.

Soleil Près du Soleil : rapide, courte et large Loin du Soleil : lente, longue et fine Chaque part ombrée prend le même temps
Les deux premières lois de Kepler : l’orbite est une ellipse dont le Soleil occupe un foyer, et une ligne partant du Soleil balaie des aires égales en des temps égaux. L’ellipse est ici très étirée ; les vraies orbites sont presque rondes.

En 1609, Galilée pointa une lunette vers le ciel. Il vit des montagnes sur la Lune, quatre lunes tournant autour de Jupiter, et Vénus présentant des phases comme la Lune, ce qui n’est possible que si Vénus tourne autour du Soleil. Puis, en 1687, Isaac Newton montra qu’une seule force, la gravitation, explique à la fois la chute d’une pomme et l’orbite de la Lune. Pour la première fois, le ciel obéissait aux mêmes règles que la Terre.

Est Ouest 7 janv. 8 janv. 10 janv. 13 janv.
Jupiter et ses « étoiles » pendant quatre nuits de janvier 1610, à la manière du carnet de Galilée. Elles changeaient de place chaque nuit : c’étaient des lunes tournant autour de Jupiter. Positions simplifiées.

1700–1900

Mesurer les distances

Les lois de Newton donnaient la forme du système solaire, mais pas sa taille. Edmond Halley trouva un moyen : observer Vénus passer devant le Soleil depuis des lieux très éloignés sur Terre, chronométrer ce passage, et la différence révèle la distance du Soleil. Des expéditions firent le tour du monde pour les transits de 1761 et 1769. Le premier voyage de James Cook le mena à Tahiti précisément pour cette raison.

Essayez vous-même

Choisissez deux stations d’observation, chronométrez le transit et calculez la distance du Soleil comme l’ont fait les astronomes du XVIIIe siècle. Le transit de Vénus

Halley prédit aussi qu’une comète reviendrait en 1758. Elle revint, après sa mort, et porte aujourd’hui son nom. William Herschel découvrit Uranus en 1781, la première planète découverte depuis l’Antiquité. En 1846, Neptune fut trouvée presque exactement là où les mathématiques disaient qu’elle devait être, calculée à partir de son attraction sur Uranus.

En 1838, Friedrich Bessel mesura enfin la distance d’une étoile : 61 Cygni se trouve à environ 11 années-lumière, plus de 700 000 fois plus loin que le Soleil. À la même époque, les spectroscopes décomposèrent la lumière des étoiles en arcs-en-ciel et firent apparaître des raies sombres qui révélaient de quoi les étoiles sont faites : des mêmes éléments que la Terre.

La Terre en janvier La Terre en juillet Soleil Étoile proche Là où elle semble être parmi les étoiles lointaines Pour 61 Cygni, le décalage n’est que de 0,3 seconde d’arc : une pièce vue à 15 km
Parallaxe : vue depuis deux côtés opposés de l’orbite terrestre, une étoile proche semble se déplacer par rapport aux étoiles lointaines. L’angle est énormément exagéré sur le dessin.

1900–1970

L’univers s’agrandit

En 1912, Henrietta Swan Leavitt découvrit que certaines étoiles pulsantes, les céphéides, révèlent leur véritable éclat par la vitesse de leurs pulsations. Elles devinrent ainsi des étalons de mesure. En 1923, Edwin Hubble en trouva une dans la « nébuleuse » d’Andromède et montra qu’elle se trouve bien au-delà de la Voie lactée. Andromède était une galaxie à part entière, et il en existait d’innombrables autres.

En 1929, Hubble et d’autres montrèrent que les galaxies s’éloignent de nous, et d’autant plus vite qu’elles sont lointaines : l’univers est en expansion. Si l’on rembobine le film, tout commence dans un état initial chaud et dense, le Big Bang. En 1965, Arno Penzias et Robert Wilson en découvrirent par hasard la lueur résiduelle, sous la forme d’un faible sifflement dans leur antenne radio, venant de toutes les directions.

Avant Après nous Tout s’éloigne ; plus c’est loin, plus c’est rapide
Comme des raisins secs dans une pâte qui lève : l’espace lui-même s’étire, donc chaque galaxie voit les autres s’éloigner. Il n’y a pas de centre.

De l’arme à l’observatoire

Après la guerre, des fusées V-2 capturées furent lancées à la verticale depuis White Sands, au Nouveau-Mexique, avec des instruments à la place des explosifs. En 1946, elles enregistrèrent la lumière ultraviolette du Soleil, qui n’atteint jamais le sol, et prirent les premières photographies de la Terre depuis l’espace, à environ 105 km d’altitude. La même technologie mena aux fusées qui placèrent Spoutnik en orbite en 1957 et des humains sur la Lune en 1969. Comment fonctionnait le V-2

Aujourd’hui

Ce que nous savons aujourd’hui

Aujourd’hui, les astronomes travaillent avec des télescopes en orbite, au sommet des montagnes et même enfouis dans la glace de l’Antarctique. Nous avons des images rapprochées de toutes les planètes, et Voyager 1, lancée en 1977, a complètement quitté la bulle du vent solaire. Depuis 1995, nous avons découvert plus de 6 000 planètes autour d’autres étoiles. En 2015, nous avons détecté pour la première fois des ondulations de l’espace lui-même, causées par la collision de deux trous noirs, et en 2019 nous avons vu l’ombre de l’un d’eux. Le télescope spatial James Webb observe aujourd’hui des galaxies dont la lumière est partie il y a plus de 13 milliards d’années.

13,8 milliardsd’années depuis le Big Bang
100–400 milliardsd’étoiles dans notre Voie lactée
6 000+planètes découvertes autour d’autres étoiles
8 min 20 spour que la lumière du Soleil atteigne la Terre
2,5 millionsd’années pour que la lumière d’Andromède nous parvienne
5 %de l’univers est la matière ordinaire que nous pouvons voir

Ce dernier chiffre a de quoi nous rendre humbles. Le reste est de la matière noire et de l’énergie noire, et personne ne sait ce que c’est. Quelques-unes des grandes questions ouvertes :

  • Que sont la matière noire et l’énergie noire ?
  • Y a-t-il de la vie ailleurs, ne serait-ce qu’un microbe ?
  • Que s’est-il passé au tout premier instant, et y a-t-il eu un « avant » ?
  • Comment les premières étoiles et galaxies se sont-elles formées si vite après le Big Bang ?

Chaque génération de cette histoire a cru être proche du tableau complet. Le ciel continue de prouver le contraire, et c’est la meilleure raison de continuer à lever les yeux.

Commencez par l’une des grandes expéditions du XVIIIe siècle : mesurer le système solaire grâce à un point noir sur le Soleil.

Le transit de Vénus