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1° partie - Université inter âges

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Du système solaire à l’Univers
Vincent LUSSET
Université inter âges du nord parisien
2015 – 2016
L’astronomie : une science à la croisée des sociétés pré-industrielles
techniques
religions &
philosophies
commerce
exploration
& conquêtes
Du système solaire à l’Univers
I – Observations astronomiques : une grande variété de motivations
II – L’observation des planètes et la Révolution Copernicienne
III – L’observation des étoiles : évolutions techniques et découvertes
IV – Le système solaire et l’Univers : bilan et perspectives
Du système solaire à l’Univers
I – Observations astronomiques : une grande variété de motivations
II – L’observation des planètes et la Révolution Copernicienne
III – L’observation des étoiles : évolutions techniques et découvertes
IV – Le système solaire et l’Univers : bilan et perspectives
Du système solaire à l’Univers
I – Observations astronomiques : une grande variété de motivations
I.1) L’astronomie et la mesure du temps : brève histoire du calendrier
I.2) L’astronomie et la navigation : le problème de la mesure de la longitude
I.3) L’astronomie et la mesure des distances : définition de l’étalon de longueur
I.4) L’astronomie et la mesure du temps (bis) : la Terre comme horloge
Du système solaire à l’Univers
I – Observations astronomiques : une grande variété de motivations
I.1) L’astronomie et la mesure du temps : brève histoire du calendrier
I.2) L’astronomie et la navigation : le problème de la mesure de la longitude
I.3) L’astronomie et la mesure des distances : définition de l’étalon de longueur
I.4) L’astronomie et la mesure du temps (bis) : la Terre comme horloge
L’astronomie et la mesure du temps :
brève histoire du calendrier
Toutes les mesures du temps étaient initialement fabriquées localement
→ c’est le clergé qui était souvent chargé de sonner l’heure ou d’annoncer les fêtes
● Préhistoire : horloge et calendrier = observation du ciel et de ses cycles
1 an = temps mis par le Soleil pour revenir en un endroit du ciel fixé
= 365 jours 5 heures 48 minutes 45,2 secondes
● -3000, Mésopotamie : calendrier lunaire
(toujours utilisé dans le monde musulman)
1 an = 12 lunes = 12 x 29,5 jours = 354
jours
problème : décalage de 11 jours par an par
rapport au Soleil
L’astronomie et la mesure du temps :
brève histoire du calendrier
● -2500/-500, Egypte : calendrier solaire
1 an = 12 mois
= 12 x 30 jours + 5 jours festifs
= 365 jours
problème : décalage de 1/4 jour par an
● -2000/-200, Assyriens, Hébreux, Perses et Grecs :
calendrier lunaire en rajoutant un mois de temps en
temps, sur décision du clergé
L’astronomie et la mesure du temps :
brève histoire du calendrier
● -753/-46, Rome : même calendrier que
les Grecs, mais clergé très corrompu
→ grande variation de la durée de
l’année d’une année à l’autre
● -46/476, Rome : Jules César reprend le calendrier égyptien en rajoutant 1 année
bissextile tous les 4 ans
→ calendrier Julien, en vigueur pendant 1500 ans en Occident
problème : décalage de 10 jours au bout de 15 siècles
L’astronomie et la mesure du temps :
brève histoire du calendrier
● 1582, Papauté : modification des
années bissextiles
→ 1 année bissextile tous les 4 ans,
sauf
les
multiple
de
100,
à l’exception des multiples de 400
→ calendrier Grégorien, toujours en
vigueur
● application lente et progressive du
calendrier grégorien, résistance au pouvoir
de Rome
→ pays anglo-saxons : 18ème siècle
→ Russie : 1918
Du système solaire à l’Univers
I – Observations astronomiques : une grande variété de motivations
I.1) L’astronomie et la mesure du temps : brève histoire du calendrier
I.2) L’astronomie et la navigation : le problème de la mesure de la longitude
I.3) L’astronomie et la mesure des distances : définition de l’étalon de longueur
I.4) L’astronomie et la mesure du temps (bis) : la Terre comme horloge
L’astronomie et la navigation :
le problème de la mesure de la longitude
● Pendant longtemps les déplacements maritimes sont restés sur de courtes distances,
ou par cabotage
● Les progrès techniques de la fin du Moyen-Âge amènent les puissances européennes à
se tourner vers l’exploration : Venise, Portugal puis Espagne
expédition de Vasco de Gama
carte de 1502
● La navigation devient alors une des principales motivations pour le développement de
l’astronomie :
→ besoin de cartes
→ besoin de se repérer sur les cartes
L’astronomie et la navigation :
le problème de la mesure de la longitude
● Se repérer en mer, quand la terre n’est plus visible : mesure de 2 angles, la latitude et
la longitude
● mesure de la latitude : très simple par
mesure de l’élévation au-dessus de l’horizon
du pôle céleste (point fixe ≈ étoile polaire)
● mesure de la longitude : très compliquée
car un déplacement est-ouest est indiscernable
de la rotation de la Terre
→ après le règlement de l’affaire du calendrier, la mesure de la longitude passe au
1er rang des recherches astronomiques
L’astronomie et la navigation :
le problème de la mesure de la longitude
● La mesure de la longitude se mélange en fait à celle du temps : si on connaît l’heure
qu’il est, on peut « corriger » la rotation de la Terre et donc mesurer la longitude
● 2 possibilités :
→ emporter l’heure du méridien d’origine avec soi, la conserver pendant des semaines
Initialement seulement de gros sabliers,
utilisables pour des déplacements limités
Motivation importante pour le
développement de chronomètres très
précis (XIXème siècle)
L’astronomie et la navigation :
le problème de la mesure de la longitude
→ observer un signal universel visible de partout, dont on connaît à l’avance l’heure sur
le méridien de référence :
- éclipses de Lune : connues depuis Hipparque, 2000 ans auparavant, mais trop rares
- éclipses des satellites de Jupiter : très difficile à observer depuis la mer
L’astronomie et la navigation :
le problème de la mesure de la longitude
- déplacement de la Lune sur le fond des étoiles : nécessite une bonne connaissance du
mouvement de la Lune (cycle de plus de 18 ans) et de la position précise des étoiles, très
difficile à mesurer sur un bateau
1730 : invention du sextant
sextant de 1820
principe du sextant
→ 2 siècles de travail pour les astronomes, et obsolète avec l’arrivée des chronomètres !
L’astronomie et la navigation :
le problème de la mesure de la longitude
A Rake’s Progress, plate 8 : In the Madhouse (William Hogarth)
Du système solaire à l’Univers
I – Observations astronomiques : une grande variété de motivations
I.1) L’astronomie et la mesure du temps : brève histoire du calendrier
I.2) L’astronomie et la navigation : le problème de la mesure de la longitude
I.3) L’astronomie et la mesure des distances : définition de l’étalon de longueur
I.4) L’astronomie et la mesure du temps (bis) : la Terre comme horloge
L’astronomie et la mesure des distances :
définition de l’étalon de longueur
La mesure des distances terrestres, et dans ce but la nécessité d’une définition précise d’un
étalon de longueur (le mètre), va elle aussi recevoir l’aide de l’astronomie
● Mesure de la taille de la Terre : Eratosthène (3ème siècle AEC)
Eratosthène mesure la
distance entre les villes
(à pas de chameaux…)
et trouve 5000 stades; il
en déduit la taille de la
Terre : 40 000 km!
(immense)
Mesure perdue plus tard, refaite par Poséidionos qui se trompe et la sous-estime de 30%
→ expéditions de Colomb et de Magellan
L’astronomie et la mesure des distances :
définition de l’étalon de longueur
Suite aux Grandes Découvertes (XVème – XVIème siècles) , la cartographie devient une
activité nécessaire et recherchée pour établir des cartes précises des terres
L’astronomie et la mesure des distances :
définition de l’étalon de longueur
Pour mesurer une distance (ou une vitesse) en mer, la
mesure des angles suffit :
- 1 mile nautique correspond à 1°/60 de latitude
- vitesse mesurée en nœuds : 1 nœud = 1 mile nautique/h
A terre, par contre, les cartes ont besoin de mesures de distances précises correspondant
aux références terrestres.
Pendant longtemps, les distances n’étaient
que
locales,
mesurées
avec
des
outils d’arpenteur.
Les grandes distances étant mesurées en
temps de trajet.
L’astronomie et la mesure des distances :
définition de l’étalon de longueur
Ces méthodes ne correspondent pas aux nouveaux besoins de la cartographie :
- grandes distances à mesurer (centaines voire milliers de km)
- précision requise et unité non ambiguë
Snell invente en 1617 la triangulation : détermination d’une distance inconnue par deux
mesures d’angle et d’une distance connue
→ de proche en proche, de grandes distances peuvent être mesurées
L’astronomie et la mesure des distances :
définition de l’étalon de longueur
Beaucoup d’unités de mesure restaient définies localement, par rapport à l’homme
(pouce, pied de roi, toise,…), ce qui posait des problèmes de conversion
→ Révolution française, création du système métrique :
le mètre est défini à partir de la Terre elle-même :
1 m = 1/10 000 000ème du quart du méridien terrestre
1792 – 1795 : mesure de la distance Dunkerque –
Barcelone et comparaison avec les angles mesurés
grâce aux étoiles → mètre-étalon, en marbre,
puis à partir de 1889 en platine-irridium
NB : la définition du mètre sera changé en 1960 (définition basée sur une longueur
d’onde de la lumière) puis en 1983 (définition basée sur la vitesse de la lumière)
Du système solaire à l’Univers
I – Observations astronomiques : une grande variété de motivations
I.1) L’astronomie et la mesure du temps : brève histoire du calendrier
I.2) L’astronomie et la navigation : le problème de la mesure de la longitude
I.3) L’astronomie et la mesure des distances : définition de l’étalon de longueur
I.4) L’astronomie et la mesure du temps (bis) : la Terre comme horloge
L’astronomie et la mesure du temps (bis) :
la Terre comme horloge
Après la question du calendrier (durée d’une année) vient la question du découpage des
journées en durées plus courtes, les heures, puis jusqu’à la définition de la seconde
C’est la rotation de la Terre sur elle-même qui permet
de définir la durée d’une journée. 2 possibilités :
- jour solaire : = 24 h ↔ 1 s = 1/86400ème j
- jour sidéral : ~ 23 h 56 min 4 s
Comment diviser ce jour en durées égales?
Depuis l’Antiquité :
cadrans solaires
→ rotation de l’ombre
de bâtons
L’astronomie et la mesure du temps (bis) :
la Terre comme horloge
Pour mesurer des intervalles de temps plus courts :
- clepsydres, sabliers, bougies marquées
- horloges astronomiques (XIVème siècle)
- chronomètres de précision (XVIIème et XVIIIème siècle, miniaturisé au XIXème siècle)
chronomètre de marine
clepsydre
horloge astronomique de Berne (1530)
L’astronomie et la mesure du temps (bis) :
la Terre comme horloge
problème : comment les mettre à l’heure? (Soleil trop irrégulier)
→ observatoires : heure calculée avec les astres puis transportée aux alentours à l’aide
d’un chronomètre fiable
→ télégraphe électrique (1838-1840) : heure propagée
partout très rapidement
problème : il faut une
référence unique pour éviter la
multiplicité des heures locales
→ fuseaux horaires
→ référence mondiale :
Greenwich
(congrès de Washington, 1884)
L’astronomie et la mesure du temps (bis) :
la Terre comme horloge
Au XXème siècle, les mesures du temps deviennent sensibles à la variation du jour
terrestre (deux millièmes de seconde par jour)
→ abandon de la référence terrestre en 1967, redéfinition de la seconde à partir des
particules, référence stable et reproductible partout
Cependant on garde les jours solaires, et on
rajoute une seconde appelée seconde
intercalaire de temps en temps (environ 1
seconde tous les 18 mois)
Du système solaire à l’Univers
I – Observations astronomiques : une grande variété de motivations
II – L’observation des planètes et la Révolution Copernicienne
III – L’observation des étoiles : évolutions techniques et découvertes
IV – Le système solaire et l’Univers : bilan et perspectives
Du système solaire à l’Univers
II – L’observation des planètes et la Révolution Copernicienne
II.1) Premières observations et système géocentrique
II.2) Copernic, Brahe, Kepler et Galilée : les pères du système héliocentrique
II.3) Newton et la théorie de la Gravitation
Du système solaire à l’Univers
II – L’observation des planètes et la Révolution Copernicienne
II.1) Premières observations et système géocentrique
II.2) Copernic, Brahe, Kepler et Galilée : les pères du système héliocentrique
II.3) Newton et la théorie de la Gravitation
Premières observations et système géocentrique
La curiosité pour les cieux existe depuis la nuit des temps, depuis que les femmes et les
hommes regardent le ciel → constellations
hercule
bouvier
vierge
lyre
dragon
cygne
grande ourse
petite ourse
cassiopée
lion
pégase
Premières observations et système géocentrique
Les planètes, dont le mouvement devant les constellations du zodiaque a toujours fasciné
les Hommes ont également joué un grand rôle dans l’histoire de l’astronomie.
mouvement du Soleil, de la Lune et des planètes
Premières observations et système géocentrique
→ importance du mouvement des planètes
pour l’astrologie, qui jusqu’au XVIIème siècle
ne se distinguait pas de l’astronomie
Idée principale de l’astrologie : étendre
l’observation, valable, que le Soleil et la Lune
ont une influence sur la vie terrestre, aux
autres planètes (Mercure, Vénus, Mars,
Jupiter et Saturne)
The Astronomer (Vermeer)
→ astrologie : science des mouvements planétaires apparents
Premières observations et système géocentrique
→ tables des positions des planètes au
cours du temps, pour modéliser dans un
système géocentrique les mouvements
apparents
mouvement rétrograde de Mars
← Modèle géocentrique du système solaire
problème : les mouvements rétrogrades ne
sont pas compatibles avec des orbites
géocentriques circulaires
Premières observations et système géocentrique
Difficultés rencontrées dans la construction
du modèle géocentrique :
- mouvement rétrograde
- variation de vitesse et de distance
→ variation de taille apparente de la Lune
→ variation d’éclat pour les planètes
- cycles très long : années voire décennies
Périodicité des éclipses de Lune :
saros = cycle de 223 lunaisons (+ de 18 ans!)
Premières observations et système géocentrique
Principaux modèles astronomiques géocentriques : Aristote (-384/-322, Macédoine) et
surtout Ptolémée (Egypte, 90/168) → repris et diffusés par l’Eglise et l’Islam
Aristote : cercles parfaits, monde
supralunaire immuable, parfait, stable et
éternel → 56 sphères !
Apollonios : cercles parfaits non centrés
sur la Terre : épicycles et déférents
→ permet de modéliser les variations
d’éclat par des variations de distance
Ptolémée : épicycles décentrés
Publication de l’Almageste, (position des
étoiles + modèle géocentrique) qui va
rester la référence en astronomie pendant
14 siècles, y compris pendant les MoyenÂge européen et arabe
Premières observations et système géocentrique
Du système solaire à l’Univers
II – L’observation des planètes et la Révolution Copernicienne
II.1) Premières observations et système géocentrique
II.2) Copernic, Brahe, Kepler et Galilée : les pères du système héliocentrique
II.3) Newton et la théorie de la Gravitation
Copernic, Brahe, Kepler et Galilée :
les pères du système héliocentrique
Nicolas Copernic (1473 – 1543) : le précurseur
Chanoine polonais, il ne publie que l’année
de sa mort son grand ouvrage, De
revolutionibus orbium coelestium, dans
lequel il défend un modèle héliocentrique
Son modèle est cependant
encore inspiré des idées de
perfection géométrique
antique, et n’utilise donc
que des cercles
→ nombreuses épicycles
Copernic, Brahe, Kepler et Galilée :
les pères du système héliocentrique
Tycho Brahe (1546 – 1601) : l’observateur
Aristocrate danois, il construit le
premier observatoire de l’ère moderne,
Uraniborg, doté des instruments les
plus modernes et les plus précis de
l’époque
Il finit sa vie
comme astronome
impérial à Prague,
à la cours de
Rodolphe
II,
empereur du Saint
Empire
Romain
Germanique
astrolabe de Brahe
Copernic, Brahe, Kepler et Galilée :
les pères du système héliocentrique
Johannes Kepler (1571 – 1630) : l’astronome
Enseignant allemand, il travaille sur
une représentation du monde basée sur
les solides parfaits grecs
Il doit cependant fuir les troubles qui
agitent les territoires allemands suite à
la Contre-Réforme et se réfugie à
Prague, où il devient l’assistant puis le
successeur de Brahe
Brahe demande à Kepler d’utiliser
ses mesures (+ de 20 ans) pour
calculer l’orbite de Mars
Copernic, Brahe, Kepler et Galilée :
les pères du système héliocentrique
Les lois de Képler : après 6 ans de calculs, Kepler comprend que les orbites des
planètes ne sont pas des cercles parfaits, mais des ellipses, et énonce 3 lois empiriques
● 1ère loi – Loi des orbites : les planètes décrivent des
ellipses dont l’un des foyers est le Soleil
a
● 2ème loi – Loi
des aires : le
segment joignant
le Soleil à une planète balaie des aires égales
des intervalles de temps égaux
● 3ème loi – Loi des périodes : le carré de la période T de
révolution d’une planète est proportionnel au cube du
demi-grand axe a de l’ellipse : T 2
 constante
a3
Copernic, Brahe, Kepler et Galilée :
les pères du système héliocentrique
Galilée (1564 – 1642) : le premier scientifique moderne
Physicien
et
inventeur
italien,
il
perfectionne en 1609 une récente invention
hollandaise qui grossit les objets et fabrique
ainsi la première lunette astronomique
Il observe le relief de la Lune, puis, tournant
sa lunette vers Jupiter, il découvre ses 4
plus gros satellites : Io, Europe, Ganymède
et Callisto
Copernic, Brahe, Kepler et Galilée :
les pères du système héliocentrique
Galilée observe également :
les tâches solaires
de très nombreuses
nouvelles étoiles
le relief de la Lune
les phases de Vénus
Sa défense orgueilleuse du système
héliocentrique, entre autre dans son
« Dialogue sur les Deux
Mondes » lui attire les foudres de
l’Eglise et de l’Inquisition et en
1633 il est contraint d’abjurer
l’héliocentrisme, qui avait été mis
à l’Index par l’Eglise en 1616
Du système solaire à l’Univers
II – L’observation des planètes et la Révolution Copernicienne
II.1) Premières observations et système géocentrique
II.2) Copernic, Brahe, Kepler et Galilée : les pères du système héliocentrique
II.3) Newton et la théorie de la Gravitation
Newton et la théorie de la Gravitation
Isaac Newton (1643 – 1727) : le fondateur de la physique quantitative
Philosophe, mathématicien, physicien,
alchimiste, astronome et théologien
anglais, il travaille d’abord sur les
propriétés optique de la lumière puis
invente un télescope qui porte son nom
décomposition de la
lumière par un prisme
télescope de Newton
Il co-invente avec Leibnitz
le calcul différentiel
Newton et la théorie de la Gravitation
En 1687, il publie Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, considéré comme un
des ouvrages les plus importants de l’histoire des sciences
Dans cet ouvrage, Newton :
- fonde la Mécanique classique, la science qui étudie les
mouvements (3 lois de Newton)
- formule la loi universelle de la Gravitation, qui décrit
l’attraction qu’exercent les corps entre eux du fait de leur
masse
chuted’une
de la Lune
chute
pomme
Cette théorie met du temps à s’imposer, mais va
frapper progressivement les esprits par son
caractère prédictif : aplatissement de la Terre aux
Pôles mesuré par Maupertuis (1738), retour de la
comète annoncé par Haley (1759), découverte d’une
nouvelle planète par Le Verrier (1846),…
La Révolution Copernicienne : bilan
La Révolution Copernicienne est bouleversement complet des méthodes d’observation
du monde, des principes scientifiques et des idées philosophiques qui en découlent
accompagnant le changement de représentation de l’Univers lors du passage entre :
- le modèle géocentrique et immuable (issu de l’astronomie des grecs et en particulier
d’Aristote et de Ptolémée, mais repris à son compte par l’Eglise)
- et le modèle héliocentrique et variable défendu en premier par Nicolas Copernic puis
perfectionné par Johannes Kepler, Galilée, et enfin Newton
C’est la première des trois blessures narcissiques successives infligées à l’Humanité par
la science. Lesdites blessures narcissiques sont des découvertes qui s'opposent à
l'anthropocentrisme :
● Copernic : la terre n'est pas au centre de l'Univers
● Darwin : l'homme est le fruit de l'évolution, et donc il est un animal comme les autres
● Freud : l'homme n'est pas maître de ses pulsions
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