En 1616, l’ouvrage de Nicolas Copernic a été mis à l’Index1 par l’Église catholique, les mouvements de la Terre étant incompatibles avec les Saintes Écritures. En 1728, James Bradley a fait une découverte qui confirme le mouvement de la Terre autour du Soleil et, en 1851, Léon Foucault a mis au point une expérience qui montre la rotation de la Terre sur elle-même.
Le modèle copernicien
En 1543, après de longues années d’hésitations de son auteur, fut publié à Nuremberg le De Revolutionibus orbium coelestium de Nicolas Copernic (1473-1543). On raconte que celui-ci aurait reçu une copie de l’ouvrage sur son lit de mort.
Les hésitations de l’auteur viennent du fait qu’à l’époque, la théorie géocentrique héritée d’Aristote et Ptolémée avait été intégrée aux enseignements catholiques par Thomas d’Aquin (1224-1274). Dans le système géocentrique, l’univers est comparé aux pelures d’un oignon, la Terre est immobile au centre de cet univers, les planètes se déplacent dans des orbes qui sont des sphères creuses ayant une certaine épaisseur. Ces orbes sont emboîtées et entraînées par la rotation de la sphère la plus extérieure, celle des étoiles appelée sphère des fixes. La rotation de cette sphère est causée par un moteur externe, Dieu en l’occurrence.
Dans le modèle héliocentrique de Copernic, le Soleil occupe le centre de l’univers et tous les autres corps célestes sont en rotation autour de ce centre, à l’exception de la Lune qui est en rotation autour de la Terre. Copernic dotait la Terre de trois mouvements :
- le mouvement diurne de la rotation de la Terre sur elle-même qui cause l’alternance du jour et de la nuit,
- le mouvement annuel de la Terre autour du Soleil qui cause l’alternance des saisons.
- le mouvement conique qui explique le fait que l’axe de la Terre pointe toujours dans la même direction sur la sphère des étoiles.
Lorsqu’on observe les étoiles durant la nuit, on constate qu’elles sont animées de mouvements circulaires. L’axe de la Terre est toujours dirigé vers le centre de ces mouvements circulaires, cet axe doit donc être animé d’un mouvement conique puisque la Terre se déplace dans un mouvement annuel autour du Soleil.
En mars 1610, Galilée (1564-1642) publie l’ouvrage Siderius Nuncius (Messager des étoiles). Dans cet ouvrage, il présente plusieurs de ses observations à la lunette et prend position en faveur du système de Copernic. Il est dénoncé à l’Inquisition qui, en 1616, condamne comme hérétique l’ouvrage de Copernic.
Lorsque son ami Maffeo Barberini (1568-1644) devient pape sous le nom d’Urbain VIII, en 1623, Galilée entreprend la rédaction de son Dialogue sur les deux systèmes du Monde. Il cherche à convaincre ses lecteurs de la validité du système copernicien, mais il lui manque la preuve que la Terre est bien animée des mouvements du système de Copernic et son ouvrage est inscrit à l’Index.
L’aberration de la lumière
Au début du XVIIIe siècle, la plupart des scientifiques sont convaincus de la validité du système héliocentique, mais il reste à en déterminer une preuve irréfutable et les astronomes sont convaincus que cette preuve sera donnée en mesurant la parallaxe des étoiles (Voir l’encadré La parallaxe annuelle).
La parallaxe annuelle
Fermez l’œil gauche, tendez le bras, pouce relevé, et visez un objet dans la pièce où vous êtes. Ouvrez l’œil gauche et fermez le droit. L’objet que vous visiez semble s’être déplacé. Cette illusion vient du fait que le pouce est observé selon deux angles différents par chacun des yeux. Ce phénomène est appelé parallaxe.
La parallaxe est un déplacement apparent de la position relative d’un objet dû au mouvement de l’observateur.
Parallaxe annuelle
En astronomie, la parallaxe annuelle ou stellaire est l’angle sous lequel on pourrait voir le demi-grand axe de l’orbite terrestre depuis une étoile. On procède comme suit.
Dans la figure à droite, le triangle STE, formé par le Soleil, la Terre et l’étoile, est rectangle en S. Dans ce triangle, on a :
\[\tan \alpha = \frac{\overline{ST}}{\overline{SE}}, \]
où ST est le demi-grand axe de l’orbite terrestre et SE la distance du Soleil à l’étoile. Pour une étoile proche, l’angle \(\alpha\) est plus petit qu’une seconde d’arc (1″). Étant donné que cet angle est très petit, on considère que :
\[\overline{ST} = \overline{SE}\]
En exprimant la mesure de α en radians, on a \(\tan \alpha = \alpha,\) puisque l’angle est très petit, d’où :
\[\alpha = \frac{\overline{ST}}{\overline{SE’}}, \: \text{ d’où} \: \overline{SE}=\frac{\overline{ST}}{\alpha’}\]
où les distances \(\overline{SE}\) et \(\overline{ST}\) sont exprimées en unités astronomiques. L’unité astronomique2 correspond approximativement à la distance entre la Terre et le Soleil soit environ 150 millions de kilomètres.
Pour simplifier les calculs, on définit une nouvelle unité astronomique, le parsec (pc).
On dit qu’une étoile est située à une distance de 1 pc si sa parallaxe est égale à 1 seconde d’arc.
Ainsi, à partir d’une étoile située à 1 pc, on verrait le demi-grand axe de l’orbite terrestre sous un angle de 1 seconde d’arc.
La première figure à droite illustre ce à quoi on s’attendait en tentant de déterminer la parallaxe d’une étoile.
Lorsqu’on se déplace vers la droite, les objets qui nous sont proches semblent se déplacer vers la gauche. Par conséquent, le déplacement de la Terre sur son orbite devrait donner l’impression que les étoiles se déplacent, elles devraient nous sembler se décaler vers la direction opposée au déplacement de la Terre.
En 1725, l’astronome James Bradley (1693-1762) commence ses travaux pour mesurer la parallaxe d’étoiles. Lors de deux observations successives de la position de γ Draconis (l’étoile Gamma du Dragon) faites avec Samuel Molyneux (1689-1728), il découvre que la position apparente de l’étoile ne s’est pas déplacée dans le sens attendu. Il poursuit ses observations de cette étoile et au bout d’une année, les positions successives forment une petite ellipse, mais avec trois mois de décalage entre le résultat attendu et le résultat observé (figure de gauche). Cette observation laisse Bradley perplexe, il ne sait pas comment expliquer ce phénomène.
Il lui fallut deux ans pour comprendre que ce phénomène fournissait la première observation confirmant scientifiquement la rotation de la Terre autour du Soleil.
Il aurait trouvé l’explication lors d’une excursion en bateau en remarquant qu’un drapeau flottant au vent au mât du bateau ne se dirigeait ni vers l’arrière du bateau ni dans le même sens qu’un drapeau sur la rive.
Une autre façon de « voir » ce phénomène est illustrée dans les trois cases à gauche. Un photographe sur le bord de l’autoroute prend trois clichés à intervalles réguliers, montrant un véhicule qui se déplace sur l’autoroute à une vitesse constante alors qu’une mongolfière, forcée de se poser sur l’autoroute, descend à la verticale à une vitesse constante.
En superposant les images des trois cases et en les alignant sur le véhicule, on a l’image de ce que perçoit le conducteur de celui-ci. La mongolfière semble tomber selon une ligne oblique pour venir frapper le véhicule.
On expérimente la même chose les jours de pluie. Pour un piéton arrêté, la pluie tombe à la verticale mais, pour le passager d’une automobile en marche, elle tombe suivant une ligne oblique à partir de l’avant du véhicule.
Il en est de même pour la lumière dont la vitesse est finie, la direction apparente de la source lumineuse dépend de la vitesse de celui qui l’observe. C’est le phénomène observé par Bradley et appelé aberration de la lumière.
Le graphique ci-contre illustre, sans être à l’échelle, le phénomène de composition des vitesses utilisé par Bradley. Notons \(\vec{c}\) la vitesse des photons de lumière et \(\vec{v}\) la vitesse de l’observateur. Pour l’observateur, tout se passe comme s’il était immobile. La lumière suit la direction EO faisant un angle θ avec la direction de son déplacement OD, mais il la voit dans la direction E’O qui fait un angle θ’ avec son déplacement. C’est comme si les photons de lumière étaient, par rapport à lui, animés de la vitesse représentée par la diagonale du parallélogramme ABOC.
L’excentricité de l’ellipse produite par l’aberration de la lumière dépend de la latitude de l’étoile par rapport à l’écliptique. Celle de l’étoile polaire (λ = 90°) est un cercle et celle d’une étoile sur l’écliptique (λ = 0°) est un segment de droite) .
Dans le triangle OAC, la mesure de l’angle en O est θ – θ’, le côté AC est proportionnel à la vitesse \(\vec{v}\) et le côté AO à la vitesse \(\vec{c}\). En appliquant la loi des sinus, on a alors :
\[\frac{\sin(\theta-\theta’)}{\vec{v}}=\frac{\sin(180°-\theta)}{\vec{c}}=\frac{\sin\theta)}{\vec{c}},\]
puisque sin(180° – θ) = sin θ. On en tire :
\[\sin(\theta-\theta’) =\frac{\vec{v}}{\vec{c}} \sin \theta.\]
Dans le triangle COH, on a :
\[\overline{CH} = \vec{c} \cos \theta.\]
De plus, dans le triangle AOH, on a :
\[\tan \theta’ = \frac{\overline{OH}}{\overline{AH}}= \frac{\overline{OH}}{\overline{AC}+\overline{CH}}= \frac{\vec{c} \sin \theta}{\vec{v} + \vec{c} \cos \theta} = \frac {\sin \theta}{\displaystyle\frac{\vec{v}}{\vec{c}}+ \cos \theta.}\]
Pour alléger l’écriture, on représente le rapport des vitesses par β de sorte que :3
\[\tan \theta’ = \frac{\sin \theta}{\beta + \cos \theta}.\]
Bradley obtient la première confirmation expérimentale de la révolution de la Terre autour du Soleil, tout en confirmant que la vitesse de la lumière est finie, comme l’avait conclu l’astronome danois Christensen Rømer, à partir d’observations de Io, le plus grand satellite de Jupiter (Lumière-Rømer et Rømer).
Ses mesures lui permettent d’évaluer le rapport entre la vitesse de la lumière et celle du déplacement de la Terre, et l’évalue à 10 000. La vitesse de déplacement de la Terre n’est pas connue à cette époque, mais Bradley en déduit le temps que la lumière met à parvenir du Soleil à la Terre et l’évalue à 8 minutes et 12 secondes, valeur correcte à 10 secondes près4.
James Bradley (1693–1762)
L’astronome britannique James Bradley est le premier à démontrer expérimentalement, par l’explication qu’il donne de l’aberration de la lumière, la révolution de la Terre autour du Soleil, et il donne une mesure de la vitesse de la lumière. À la même période, il découvre aussi une oscillation de l’axe de rotation de la Terre, qu’il appelle nutation. Cette oscillation est due à l’attraction conjuguée du Soleil et de la Lune. Il observe toutefois le phénomène durant un cycle complet (18,6 années) avant d’annoncer sa découverte en 1748.
L’expérience du pendule
Le 3 février 1851, Léon Foucault (1819-1868) présente à la communauté scientifique l’expérience appelée expérience du pendule de Foucault, qui démontre la rotation de la Terre.
L’idée de l’expérience commence à germer dans son esprit alors qu’il travaille à façonner une petite tige d’acier fixée à un tour. Constatant que la tige vibre, il observe que le plan dans lequel la vibration a lieu ne tourne pas avec la tige. Cela s’explique par le fait que la tige conserve son mouvement inertiel puisqu’aucune force n’agit pour modifier cette vibration.
Foucault comprend alors qu’un pendule devrait avoir le même comportement. Même si le point de suspension du pendule est entraîné par la rotation de la Terre, le plan d’oscillation du pendule devrait demeurer le même puisqu’aucune force n’agit sur le pendule.
Foucault met au point son expérience au sous-sol de sa maison en utilisant un fil de fer de 2 m et une masse en bronze de 5 kg. Il s’assure qu’aucun courant d’air ni aucune source d’interférence ne perturbe l’oscillation de son pendule. Sa tentative est un succès. Il reste à communiquer le résultat de cette expérience à la communauté scientifique.
Présentation à la communauté
C’est dans la Salle du méridien de l’Observatoire de Paris qu’il invite la communauté scientifique en ces termes :
Vous êtes invité à venir voir la Terre tourner à la Salle du méridien de l’Observatoire de Paris.
Le 2 février 1851, il envoie les invitations et l’expérience est tenue le 3 février 1851 pour la communauté scientifique et, à la demande de Napoléon III, elle est reprise en mars au Panthéon de Paris pour le grand public. À cette deuxième occasion, Foucault utilise un poids de 28 kg ayant un diamètre de 38 cm. Pour soutenir ce poids, un fil de 67 m de long. Le poids est fini en pointe et celle-ci laisse une trace dans une couronne de sable sur le plancher du panthéon permettant ainsi au public de constater qu’à chaque oscillation d’une durée de 16 secondes, le plan d’oscillation s’est déplacé par rapport au sol.
Le plan d’oscillation du pendule étant indépendant de la rotation de la Terre, cela signifie que pour un pendule au pôle Nord, le plan d’oscillation doit avoir un cycle de 24 heures par rapport à la Terre. À l’équateur, le plan d’oscillation est immobile par rapport à la rotation de la Terre.
Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868)
Physicien et astronome, Léon Foucault est né à Paris le 18 septembre 1819. Orphelin de père à neuf ans, il reçoit sa formation élémentaire à la maison pour s’inscrire ensuite au collège Stanislas de Paris. Vers l’âge de 13 ans, il commence à développer de grandes habiletés manuelles dans la construction d’outils et de machines dont certaines sont très sophistiquées, comme un engin à vapeur et un télégraphe.
Dans le but de démontrer la rotation de la Terre sans avoir à utiliser un appareillage de grande dimension, Foucault a développé un instrument qui est encore très utilisé de nous jours, le gyroscope.
L’astronome François Arago a proposé à Louis-Hyppolite Fizeau (1819-1896) et à Foucault de tenter de mesurer la vitesse de la lumière par une expérience qui pourrait être réalisée sur Terre. Ils ont tous deux relevé le défi en développant des expériences différentes.
Loi du sinus de Foucault
Dans un lieu sis entre le pôle Nord et l’équateur, quelle devrait être la période du plan d’oscillation?
Le jour où s’est tenue l’expérience, l’astronome François Arago (1786-1853) a fait lecture à l’Académie des sciences d’un article rédigé par Foucault dans lequel il relate sa première expérience et explique pourquoi cette expérience prouve la rotation de la Terre. Dans cet article, il indique également comment déterminer, en une location donnée, le temps nécessaire pour que le plan d’oscillation du pendule décrive un tour complet. Appelée loi du sinus de Foucault, elle s’énonce comme suit :
La période du plan d’oscillation du pendule à une latitude θ est donnée par :
\[T = \frac{24}{\sin \theta.}\]
Cela signifie qu’en n’importe quel endroit sur Terre, on peut, connaissant la latitude, calculer la période de temps nécessaire pour que le plan d’oscillation du pendule effectue un tour complet. On peut donc, n’importe où sur Terre, réaliser une expérience vérifiant les conclusions de Foucault.
L’expérience fut rapidement reprise en différents lieux. Dans la cathédrale de Reims en mai 1851, puis en Angleterre, à Genève, à Rio de Janeiro, et à Rome dans l’Église de Saint-Ignace au Vatican. Cette expérience, qui se tenait dans un bastion des tenants du géocentrisme, a confirmé les conclusions de Foucault et marqué le début du changement d’attitude de l’Église par rapport à la théorie copernicienne. Il faudra cependant attendre environ 150 ans avant que Jean-Paul II admette que l’Église avait eu tort dans le dossier Galilée.
Démonstration de la loi
Considérons la figure à droite qui illustre, à une latitude θ, le pendule et le cercle de sable de rayon r. Lorsque le pendule est en position A, la plus proche du pôle Nord, il est plus proche de l’axe de rotation de la Terre que lorsqu’il est en position B. Par conséquent, au point A, il se déplace moins rapidement qu’au point B.5 Par la trigonométrie, on obtient facilement que le centre du cercle de sable se déplace à une vitesse :
ω R cos θ.
Le point le plus au nord de l’oscillation du pendule se déplace quant à lui à une vitesse :
ω R cos θ – ωr sin θ.
Alors que le point le plus au sud se déplace à la vitesse :
ω R cos θ + ωr sin θ.
La différence de vitesse entre chacun de ces points et le centre de cercle de sable est :
ω r sin θ.
Si le pendule débute son oscillation dans le plan Nord-Sud, la composante Est-Ouest de la vitesse sera la même que celle du centre du cercle de sable. Puisque la circonférence du cercle de sable est \(C = 2\pi r\), le temps nécessaire pour une révolution complète est :
\[T = \frac{2 \pi r}{\omega r \sin \theta} = \frac{2 \pi}{\omega \sin \theta}.\]
La Terre fait une rotation complète en 24 h, d’où \(\omega = 2 \pi/24\), et :
\[T+ \frac{24}{\sin \theta}.\]
La parallaxe diurne6
Considérons la figure ci-contre, où r est le rayon terrestre et d est la distance du centre O de la Terre au centre de la planète P. Soit de plus un point A à la surface de la Terre. La parallaxe diurne d’une planète par rapport au point A est l’angle sous lequel le rayon de la Terre aboutissant en ce point serait vu à partir du centre de la planète. La parallaxe est dite horizontale si la planète est dans le plan tangent à la Terre au point A (position P’, lever ou coucher de la planète). Elle est alors maximale. La parallaxe est dite de hauteur quand la planète est au-dessus de l’horizon (position P). La parallaxe est nulle lorsque la planète est au zénith (position Z).
Dans cette figure, et par rapport au point A, l’angle β est la parallaxe de hauteur de la planète P, l’angle α est sa parallaxe horizontale et δ est la distance zénithale observée. Exprimons la relation entre l’angle α et les angles β et δ.
Dans le triangle APO, la loi des sinus donne :
\[\frac{\sin \beta}{r} = \frac{\sin (180° – \delta)}{d}.\]
Puisque sin(180° – δ) = sinδ, on a :
\[\frac{\sin \beta}{r} = \frac{\sin \delta}{d}, \: \text{d’où} \: \frac{sin \beta}{\sin \delta} = \frac{r}{d}.\]
Par ailleurs, dans le triangle rectangle AP’O, on a :
\[\sin \alpha = \frac{r}{d}.\]
On obtient donc :
\[\sin \alpha = \frac{\sin \beta}{\sin \delta}\: \text{d’où} \: \sin \beta = \sin \alpha \cdot \sin \delta.\]
Puisque α et β sont des angles très petits, on a sin α = α et sin β = β, d’où
\[\beta= \alpha \cdot \sin \delta.\]
La parallaxe de hauteur est donc égale à la parallaxe horizontale multipliée par le sinus de la distance zénithale.
De plus, comme
\[\frac{\sin \beta}{\sin \delta} = \frac {r}{d}, \: \text{on tire} \: \sin \beta = \frac {r}{d} \sin \delta.\]
Puisque β est très petit, on a sin β = β, et
\[\beta = \frac{r}{d} \sin \delta.\]
Supposons maintenant deux observateurs en deux stations éloignées, A et B, choisies sur un même méridien et de latitudes λ et λ’, par rapport à l’équateur EE’. À l’instant du passage de l’astre au méridien, en P, ils prennent les distances zénithales δ et δ’, supposées corrigées de la réfraction astronomique. Soient β et β’ les parallaxes de hauteur APO et BPO. On a alors :
\[\beta = \frac{r}{d} \sin \delta \: \text{et} \: \beta’ = \frac{r}{d} \sin \delta’,\]
d’où :
\[\beta + \beta’ = \frac{r}{d} (\sin \delta + \sin \delta’),\]
La somme des angles du quadrilatère OAPB est égale à 360° (\(2\pi \)radians), soit :
\[\beta + \beta’+ \lambda + \lambda’+ (\pi – \delta) + (\pi- \delta’) = 2\pi.\]
On en tire :
\[\beta + \beta’ = (\delta + \delta’)-(\lambda + \lambda’),\]
et :
\[\frac{r}{d} (\sin \delta + \sin \delta’) = (\delta + \delta’)-(\lambda + \lambda’),\]
d’où :
\[\frac{r}{d} = \frac{(\delta + \delta’)-(\lambda + \lambda’)}{\sin \delta + \sin \delta’}.\]
Par conséquent :
\[\alpha = \sin \alpha = \frac{r}{d} = \frac{(\delta + \delta’)-(\lambda + \lambda’)}{\sin \delta + \sin \delta’}.\]
On peut donc calculer la latitude horizontale de la planète en connaissant seulement la distance zénithale et la latitude des deux points d’observation sur le même méridien7. On peut ensuite calculer la parallaxe de hauteur de la planète en utilisant :
\[\beta = \alpha \cdot \sin \delta.\]
- Index librorum prohibitorum (Index des livres prohibés), instauré à l’issue Concile de Trente (1545-1563). ↩
- Elle est couramment notée UA, mais la notation recom- mandée par l’Union astronomique internationale depuis 2012 est « au ». Une année-lumière (al) vaut approximativement 63 241 unités astronomiques. ↩
- Cette application classique de la composition des vitesses est insatisfaisante lorsque l’une des vitesses est celle de la lumière. Le segment OA ne peut être parcouru dans le même temps que le segment OC, la vitesse de la lumière ne pouvant être dépassée. Pour être conforme à la théorie de la relativité restreinte, il faut ajouter un facteur correctif : \(\tan \theta’ = \displaystyle \frac{\sin \theta \sqrt{1-\beta^2}}{\beta + \cos \theta}.\) ↩
- Ces résultats sont publiés en 1727 dans les Philosophical Transactions of the Royal Society. ↩
- On explique le phénomène par la force de Coriolis. Foucault ne connaissait probablement pas les travaux de Coriolis portant sur les lois de la dynamique dans un référentiel non inertiel et datant de 1832. ↩
- La parallaxe diurne est utilisée pour les planètes du système solaire. ↩
- Par cette méthode, dans les années 1750, les astronomes Nicolas Louis de Lacaille (1713-1762) et Joseph Jérôme de Lalande (1732-1807) ont déterminé la parallaxe de la Lune, celle de Vénus et celle de Mars. Lacaille fit ses observations au cap de Bonne-Espérance et Lalande à Berlin. ↩
