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Vénus et la petite histoire de la parallaxe

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Publié le : dimanche 14 mars 2004, par  Jean Paul ROUSSELLE





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Un problème important de l'astronomie a été celui de la mesure des distances dans le système solaire et au delà...
La troisiéme loi de Képler, en exprimant que les carrés des périodes de révolution des planètes sont en proportion de leurs distances au Soleil, ne donne aucune indication sur la mesure réelle de ces derniéres.

Il faut absolument mesurer la distance de la Terre au Soleil, sinon on tourne en rond, presque comme nos planètes ! ! !
Dans la pratique on évoquera plus souvent« la parallaxe solaire », c'est à dire l'angle sous lequel un observateur placé au centre du Soleil ''voit'' le rayon de la Terre. La distance Terre/Soleil représente aussi l'Unité Astronomique ou UA.

L'histoire de l'astronomie a été marquée par la détermination de cette parallaxe solaire.

Tout d'abord Thalès de Milet (environ 600 ans avant JC) qui découvre le moyen de définir la distance d'un navire à partir de deux observations terrestres, beaucoup plus tard Aristarque de Samos ( environ 250 ans avant JC) ayant évalué la distance Terre/Lune à 60 rayons terrestres voulut poursuivre en déterminant la distance Terre/Soleil. Pour ce faire il utilisa le triangle composé par la Terre, la Lune et le Soleil lorsque la Lune est en quartier.
Las, il lui était difficile d'apprécier exactement l'instant du quartier et sa détermination place le Soleil 19 fois plus loin que la Lune, ce qui correspondait à une parallaxe de 3'.

Il fallut attendre 1630 pour que Godefroy Wandelin ( né en 1580 aux Pays-Bas), reprenant la méthode d'Aristarque, mais utilisant maintenant une lunette, obtienne une meilleure définition du moment du quartier donnant une parallaxe de 15'' et place ainsi le Soleil à une distance égale à 230 fois celle de la Lune. D'un seul coup, la précision de la mesure est multipliée par douze…mais il a fallu un certain temps ! ! !

Trois années plus tôt Johannes Képler avait publié ses Tables Rudolphines, permettant de calculer les orbites des planètes avec une précision 50 fois supérieure à ce qui existait à l'époque. En 1629, il annonce les passages de Mercure devant le Soleil de novembre 1631 ainsi que celui de Vénus du mois suivant, mais ne remarque pas son passage, huit ans plus tard, en 1639.
Pour Kepler, ces deux transits seraient des événements spectaculaires, estimant par exemple que Vénus couvrirait un quart de la surface du Soleil.

Pierre Gassend dit Gassendi (1592-1655) s'attache à observer le passage de Mercure du 7 novembre 1631, par projection, à partir d'un petit télescope et réussit son entreprise, ce sera d'ailleurs l'une des quatre observations de la minuscule tache de Mercure. Il pourra écrire à l'un de ses amis :« Le rusé Mercure voulait passer sans être aperçu, il était entré plustôt qu'on s'y attendait, mais il n'a pu s'échapper sans être découvert, je l'ai trouvé et je l'ai vu ; ce qui n'était arrivé à personne avant moi, le 7 novembre 1631, le matin ».

Quant au passage de Vénus de décembre 1631, il suscita, après le succès de Gassendi, beaucoup d'intérêt dans le monde des astronomes de l'époque mais n'était pas visible en Europe.

Fallait-il attendre plus d'un siècle pour revoir passer Vénus devant le Soleil ?
Non, car un jeune astronome anglais de génie, pasteur de son état, Jeremiah Horrocks (1618-1641), reprenant les prévisions de Kepler et les tables de l'astronome flamand Philip van Lansberg, puis les comparant à ses propres observations, prédit le passage du 4 décembre 1639 et écrivit à l'un de ses amis :
« Je vous demande de façon urgente de regarder attentivement avec votre télescope et de faire toutes les observations possibles en particulier en ce qui concerne le diamètre de Vénus, que Kepler indique être de 7', Lansberg de 11' et que le pense n'être que de 1' au maximum. »

Le jour dit Vénus était exacte au rendez -vous, ce qui permis à Horrocks d'estimer son diamètre apparent à 1'16''. Cette mesure, ajoutée à l'idée de l'époque que les diamètres des planètes étaient en rapport avec leur éloignement du Soleil, lui permit d'annoncer que la distance Terre/Soleil était de 94 millions de kilomètres.

Ensuite, rien de significatif jusqu'à l'automne 1672, à cette date, Jean Dominique Cassini a eu l'idée de profiter d'une opposition périhélique de Mars pour mesurer sa parallaxe et en déduire ainsi celle du Soleil. Jean Richer, qui se trouvait alors à Cayenne pour y mesurer des longitudes terrestres avec précision pour la jeune Académie des Sciences, reçut la mission complémentaire de mesurer la déclinaison de Mars pendant que Cassini effectuait des travaux identiques à Paris.
La confrontation des résultats mis en évidence des différences, certes à la limite de la précision des instruments de l'époque, mais permettant à Cassini d'estimer la parallaxe de Mars à 25'' et celle du Soleil à 9'',5 (ce qui place le Soleil à une distance de 21700 rayons terrestres, environ 140 millions de kilomètres).

En 1677, durant son séjour à Ste Hélène pour cataloguer le ciel austral, Edmund Halley ( 1656-1742) avait observé un passage de Mercure sur le disque du Soleil. Ce qui lui donna l'idée d'une méthode originale pour mesurer la parallaxe de Mercure : sur le disque du Soleil servant de référence, la trajectoire apparente de Mercure a une position et une longueur différentes selon qu'elle est observée de Greenwich ou de Ste Hélène.
Halley essaya cette méthode en notant les instants où Mercure paraissait entrer ou sortir du disque solaire. Le résultat qu'il en déduisit (45") était absolument sans intérêt, il s'en rendit compte mais il présuma que la méthode bénéficierait de conditions d'application beaucoup plus favorables avec un passage de Vénus devant le Soleil.

Mais...il faut attendre jusqu'en 1761, et Halley se doute qu'il sera privé du spectacle : « Alors que je serais déjà mort, je recommande encore et encore son observation aux astronomes curieux et je vous souhaite un ciel clair ».

La mobilisation de la communauté astronomique aurait pu être peu entendue voire oubliée à cause de la Guerre de Sept Ans qui, dans les années 1750, embrase l'Europe, les mers et les colonies. Il a fallu la ténacité du Français Joseph-Nicolas Delisle (1688-1768) pour internationaliser l'événement, mais surtout le faire reconnaître en France avec son argument choc : une bonne maîtrise du ciel permet de dominer les mers (en clair être meilleurs que les Anglais ! !).
La France va organiser plusieurs missions, parfois dans des contrées à peine connues de l'hémisphère sud, car la méthode imaginée par Halley suppose que deux observateurs espacés le plus possible sur un même méridien chronomètrent, de manière concertée, le passage de Vénus sur le Soleil-écran.
Au total la France va organiser 4 expéditions et la Royal Society deux, chacune de ses missions est riche en aventures et anecdotes. Il y aura 120 observations sur 62 sites.
Cependant le résultat final n'est à la hauteur des engagements des hommes qui parfois ont mis leur vie en danger, la parallaxe varie entre 8,28 et 10,60 secondes d'arc. Cette relative imprécision est due, d'abord à la mauvaise connaissance des coordonnées des lieux d'observation ( le GPS n'est pas né ! !), ensuite au phénomène de la ''goutte noire'' qui a surpris les observateurs et rendu la détermination du contact incertaine.
Mais il fallait déjà préparer la campagne de 1769 ; coté francais, Delisle disparu, c'est Joseph Jérome Lefrancois de Lalande dit Lalande (1732-1807) qui se chargera de la coordination des missions et de la détermination des sites les plus favorables.
Le bilan s'établit désormais à 151 observations réparties sur 77 sites et les résultats se précisent, puisque la parallaxe est maintenant donnée entre 8,50 et 8,88 secondes d'arc. Ces deux valeurs limites correspondent à une unité astronomique comprise entre 147 et 153 millions de kilomètres.
En attendant les passages du XIX éme siècle les astronomes et les mathématiciens retravaillent les observations de 1769, en particulier Johann Franz Encke (1791-1865) qui annonce, en 1835, une parallaxe de 8'',57 plus ou moins 0'',04. Il utilise de nouveaux outils mathématiques comme ceux issus des travaux de Gauss.

La valeur donnée par Encke a été admise pendant une cinquantaine d'années, elle fut remise en question par les progrès de l'astrométrie.
Vers les années 1860, Andrea Hansen ( 1795-1874) qui élabore une théorie de la Lune en tire une parallaxe du Soleil de 8'',92. A la même époque Urbain Jean Joseph Le Verrier (1811-1877) étudie les actions perturbatrices de Mars et de Vénus et obtient la valeur de 8'',95.
En 1862, l'opposition périhélique de Mars est l'occasion de nombreuses mesures réalisées à partir d'observatoires variés. Les calculs de Encke sont repris et corrigés. Toutes les mesures obtenues par des méthodes différentes convergent pour écarter l'évaluation de Encke et s'orientent vers une valeur comprise entre 8'',80 et 8",90.

On pense alors à faire de nouvelles observations lors des passages de Vénus sur le disque solaire le 8 décembre 1874 et le 6 décembre 1882. Des efforts considérables sont développés par des expéditions allemandes et anglaises pour des résultats très décevants.
Mesurer la position d'un objet (Vénus en la circonstance) sur le fond éblouissant du Soleil, alors que l'air est chauffé et agité par les rayons du Soleil, ce sont les pires conditions pour faire des mesures de précision. Sir George Biddell Airy (1801-1892) annonce la valeur de 8",76.
Si 1874 , la France, à peine remise de la guerre, était restée relativement discrète , en 1882 elle envoya de nombreuses missions en Patagonie, au Chili, au Rio Negro, à Santa-Cruz , en Floride et aussi en Martinique ; cette dernière expédition étant conduite par Félix Tisserand (1845-1896) , professeur d'astronomie à la Sorbonne, accompagné de Guillaume Bigourdan (1851-1932).

La synthése des mesures des campagnes 1761/1769, puis 1874/1882 revient à Simon Newcomb (1835-1909) qui, en 1890 et 91, détermina la valeur de la parallaxe à 8''85, soit une distance de 149,59 millions de km (+ ou - 0,31 millions de km).
En mars 1877, une nouvelle opposition périhélique de Mars fournit à l'astronome écossais, Sir David Gill la valeur de 8",78.

Avec la découverte des astéroïdes en 1801, l'idée naquit que l'observation d'une petite planète, plus ponctuelle, donnerait de meilleurs résultats. Suivant cette idée, Gill multiplia les mesures en observant trois astéroïdes : Iris, Victoria et Sapho en 1888 et 1889. A cette époque, ces astéroïdes s'approchaient de la Terre à 0,83 unité astronomique. Ce qui lui donna pour la parallaxe 8",802.
Découvert en 1898, l'astéroïde n°433 qui fut baptisé Eros, dont le périhélie est à l'intérieur de l'orbite de Mars, fut mis à contribution lors de son opposition de 1901 pour aboutir à une parallaxe de 8''804 plus ou moins 0''003, obtenue par une méthode photographique. L'opposition suivante d'Eros, en 1931, fut l'occasion d'une nouvelle campagne de mesures et après plusieurs années de calcul sur les résultats Spencer Jones aboutit à une parallaxe de 8''790 plus ou moins 0''001.

De nos jours, la parallaxe horizontale équatoriale moyenne du Soleil vaut 8''794 148 pour un rayon équatorial terrestre de 6378,14 km. Quant à elle, l'unité astronomique (UA) est égale à 149 597 870,691 km (UAI 1976).
Cette mesure reste la donnée officielle , mais depuis la NASA , avec des techniques radar, a fait mieux dans la recherche de la précision puisqu'elle a annoncé, en 1990, 149 597 836,257 km....et l'histoire n'est sans doute pas finie.
Sera-t-il possible de mieux faire le 8 juin prochain ? ?

Sources :

-  La mesure des distances dans l'Univers par Stéphane Razemon

-  Les transits de Vénus à travers les siècles sur le site de PGJ ASTRONOMIE

-  Vénus devant le Soleil ( éditions Vuibert) ouvrage coordonné par Arkan Simaan

-  et le fascicule Moments et problèmes dans l'histoire de l'astronomie du CLEA.

Nota :
Le logo joint à cet article représente la médaille frappée le 9 décembre 1874 en souvenir du passage de Vénus devant le Soleil et portant l'inscription : « Que distent spatio sidara juncta docent » (Par leur rencontre, les astres nous font connaître les distances qui les séparent).



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Auteur :


Jean Paul ROUSSELLE

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