Histoire de l'astronomie

L'astronomie suit l'histoire humaine depuis la plus haute Antiquité et elle a participé à l'évolution qui a fait passer l'homme de l'âge de la pierre taillée à celui de la conquête spatiale

Les bases

la galaxie NGC 4911 dans l'amas de la Chevelure. NASA, ESA, and E. Hallman (University of Colorado, Boulder)

Les luminaires célestes et le ciel de la nuit ont sans doute participé à l'histoire de l'homme dès les temps les plus anciens. L'alternance du jour et de la nuit, la lumière procurée par la Lune la nuit ou le fond du ciel étoilé ont dû toujours servir de repères et inspirer les pensées, les songes ou la magie. Les premières preuves d'une attitude raisonnée concernant le ciel et les astres viennent de Lascaux et d'autres grottes du paléolithique où les axes utilisent le Soleil au solstice d'été ou la Pleine Lune au sosltice d'hiver; les scènes même de Lascaux seraient des figurations de constellations. Puis vient le Néolithique. Homo sapiens, chasseur-cueilleur, devient agriculteur. Il lui faut donc des repères réguliers pour les travaux des champs. Des observatoires-lieux de cultes apparaissent alors, l'exemple le plus connu étant Stonehenge, grand cercle mégalithique d'il y a 5000 ans (voire de plus tôt encore en tant que lieu cultuel du Soleil). Les grands centres de la civilisation agricole, dans le Croissant Fertile, l'Indus ou en Chine, enfin, amplifient le progrès du savoir humain. Les prêtres-scribes de Sumer, vers 3000 avant notre ère, utilisent leur astronomie, plus précise grâce aux instruments et aux mathématiques, pour l'astrologie et la religion: les planètes sont associées aux dieux du panthéon et à la mythologie, le premier système numérique du monde permet l'enregistrement plus facile des données et Sumer, pour cette partie du monde située entre Inde et Europe, peut être considérée comme la fondatrice de l'astronomie. L'Egypte eut peut-être une relation plus utilitaire à l'astronomie: le calendrier du Nil, les heures de la nuit et la construction des pyramides et des temples. La pratique qui consistait à référencer la position d'une étoile au méridien par une partie du corps de l'aide d'un astronome ("au centre", "sur l'épaule droite", etc.) a peut-être influencé les descriptions ultérieures des constellations et, du fait que les Egyptiens alignaient les pyramides sur la Polaire, ils ont pris conscience de la précession des équinoxes. La culture de l'Indus, vers 500 av. J.-C., produisit une cosmologie élaborée mais peu précise -le Soleil étant assimilié à une pierre incandescente- et les Indiens des Védas, sans doute influencés par Sumer, utilisaient les données astronomiques pour les rituels religieux et pratiquaient l'astrologie. Les Indiens ont inventé l'année sidérale, fondée sur les repères stellaires au long de l'orbite de la Terre autour du Soleil. La Chine ne fait pas partie de l'aire d'influence de Sumer. La philosophie y recommandant l'harmonie entre le ciel, les hommes et la Terre, l'astronomie est au service de cette vision et a pour tâche de prévoir les perturbations possibles de cette harmonie céleste. Les astronomes-astrologues, en Chine, doivent donc établir un calendrier aux fins d'astrologie, prédire les phénomènes astronomiques inhabituels, tels les éclipses, les comètes ou les novas et préserver leur astronomie des influences étrangères; les quatre astronomes confucéens officiels existèrent jusqu'au début du XXème siècle, chargés des horoscopes, des chroniques, de la météorologie et des éclipses et du calendrier. A l'époque de l'influence des Jésuites, il existait, parmi les astronomes de la cour, une section composée d'astronomes arabes. L'astronomie chinoise a aussi influencé le Japon, ainsi, par exemple, pour ce qui est de la question de la survenance d'évènements célestes non-prévus et la constellation d'Orion avait un rôle très important, donnant des messages sur la vie des personnes ou concernant l'agriculture ou la pêche (l'astronomie était aussi la base des calendriers et des cadrans solaires); le Japon a aussi connu l'influence des Jésuites. Les civilisations d'Amérique centrale sont une autre aire civilisationnelle qui ne relève pas de Sumer. Ces peuples étaient parvenus à des calendriers et des calculs des mouvements de grande précision et la Voie Lactée tenait une place prépondérante. Vénus étaient la déesse de la guerre. Le calendrier ajoutait au Soleil les mouvements des Pléiades et de certaines planètes

Le Logos grec

L'époque suivante est essentiellement celle des Grecs. Les philosophes grecs sont les héritiers de Sumer. A fortiori une fois qu'Alexandre le Grand eût conquis l'Orient. Les Grecs détachent l'astronomie de la divination et de la mythologie voire de la confection du calendrier et ils font de l'astronomie le moyen d'une explication du mouvement des étoiles et des planètes. Platon combine une vision physique avec une vision intellectuelle d'un cosmos réglé selon les lois de l'harmonie et Aristote, sur la base d'Eudoxe, pose les bases du modèle du système solaire en tant que système complexe de sphères concentriques dont les mouvements combinés rendent ceux des planètes. Ce modèle restera le modèle dominant jusqu'à la Renaissance et permit l'établissement de tables astronomiques précises; il fut perfectionné par des philosophes ultérieurs, via le système des épicycles, un plus petit cercle porté par une des sphères (Apollonius de Pergame ou Hipparque). Hipparque mesura la précession des équinoxes et il fonda le système des magnitudes. La Terre devient sphère, Aristarque de Samos propose le premier modèle héliocentrique, ainsi que les pythagoriciens et Erastothène estime avec précision la circonférence de la Terre. L'apogée de la science grecque eut lieu avec Ptolémée vers 150 de notre ère. Ptolémée, Grec, astronome, géographe et mathématicien d'Alexandrie, compila tout le savoir de ses prédécesseurs dans sa "Megale Syntaxis". Il produisit des tables de position des planètes et d'occurrence des éclipses, un catalogue de 1022 étoiles et une liste de 48 constellations. Les Grecs anciens étaient également parvenus à disposer de sorte d'"ordinateurs" astronomiques primitifs, basés sur des roues dentées; ils demeurèrent inégalés en précision et complexité jusqu'à l'art des horlogers du XVIIIème siècle. Les Romains, eux, ne firent que peu pour l'astronomie qui fut, chez eux, essentiellement considérée sous son aspect astrologique. Ils mirent en oeuvre cependant, sous César, le calendrier julien, qui donna à l'année une longueur de 365 jours 1/4

->Le mécanisme d'Anticythère
Le mécanisme d'Anticythère est un mécanisme de roues dentées, cadrans, spirales et aiguilles, datant du IIème siècle avant notre ère. Il fut découvert vers 1900 sur les côtes de l'île grecque d'Anticythère. Il s'agit d'un véritable "ordinateur" mécanique permettant de connaître les phases de la Lune, les éclipses, la position des planètes au long du zodiaque ou les dates des jeux panhelléniques. Il se fondait sur le modèle géocentrique d'Hipparque et utilisait des épicycles pour rendre le mouvement planétaire. Sa construction est sophistiquée, certains engrenages ayant un centre de rotation mobile et non fixe. A l'arrière de l'appareil, une spirale à 235 cases -le cycle de Méton- permet de repérer les positions du Soleil et la Lune par rapport au calendrier civil égyption qui était utilisé par les Grecs; cette partie de la machine prend même en compte l'ajustement du cycle de Méton par l'astronome Callipe. Le calcul des éclipses était fondé sur l'arithmétique babylonienne car, vers 200 de notre ère, la trigonométrie grecque n'existait pas encore. Le mécanisme d'Anticythère est également remarquable car en bronze et les rouages sont précis, avec des dents d'environ 1mm. En 2016, des chercheurs ont réussi à lire la plus grande partie du texte original que contenait le mécanisme. Bien qu'il ne s'agisse pas d'un manuel mais plutôt d'une "étiquette" telle celle des musées, le texte, dont les 12000 lettres de seulement 1,2mm étaient gravées dans la machine, décrit surtout ce que celle-ci permettait: un calendrier pour le Soleil et la Lune (avec les phases), la position de ces deux corps et des planètes sur le zodiaque et les éclipses; certains pensent qu'on pourrait avoir à faire à une sorte de guide pour philosophe, introduisant au système solaire et à la Galaxie, qui montrerait les corps célestes dans la perspective des vues philosophiques des Grecs d'alors. Aucune machine de ce type n'a ensuite été construite pendant 1000 ans! Le déchiffrage donne une meilleure idée de l'aspect de la machine car on connaît ainsi les "cadrans" de celle-ci et ce qu'ils signifiaient. Le mécanisme donnait, à l'avant, une vue des planètes en déplacement sur le zodiaque, avec des marqueurs et de petites sphères (Soleil, Lune, planètes) organisées en un système géocentrique d'orbites circulaires autour de la Terre

L'Occident chrétien

cratères lunaires. NASA/JPL/USGS

Vient le Moyen Age occidental. L'Occident perd, d'abord, le contact avec la science grecque. Seuls des résumés et des textes pratiques simplifiés survivent et l'astronomie n'est plus envisagée que de son point de vue pratique -elle sert à fixer le calendrier des fêtes religieuses (le "comput") et, pour les moines, à déterminer les heures des prières. Les systèmes antiques, tels qu'ils ont réussi à subsister, sont bien suffisants et ne peuvent plus être améliorés sauf quelques exceptions comme Bède le Vénérable en Angleterre ou la renaissance carolingienne sur le continent. L'Occident chrétien est avant tout un monde rural et la culture des monastères et des écoles cathédrales est une culture littéraire et religieuse. Toute forme d'évolution, alors, vient du monde arabe, via l'Espagne andalouse ou la Sicile. Les Arabes ont conquis tout l'Orient byzantin et, peuple des navigations au long cours des caravanes du désert ou des boutres des océans, civilisation de marchands urbains aux besoins pratiques, le monde arabe est le lieu d'un mouvement scientifique important. Situés à la confluence du monde grec et de l'Inde, les Arabes héritent des travaux de l'astronomie grecque et indienne. Outre quelques concepts originaux sur les orbites ou la rotation de la Terre, les Indiens ont surtout inventé les chiffres "indiens" qui, devenus les chiffres arabes, permettant l'algèbre, facilitent les travaux scientifiques. La science arabe, sur la base des travaux des philosophes grecs trouvés dans les bibliothèques de Byzance, est expérimentale, empirique et quantitative: elle pose les bases d'une approche scientifique de type moderne. Les observatoires, les instruments, les travaux sur le calendrier, les catalogues et les noms arabes des étoiles, quelques concepts avancés tels la rotondité de la Terre ou un peu d'héliocentrisme sont les contributions à l'astronomie. Ces progrès et ces façons de voir finissent par être connus en Europe: Gerbert d'Aurillac, le futur pape de l'An mil prend déjà connaissance des progrès arabes au contact de l'Espagne puis, surtout, les croisades et la Reconquista, aux XIIème et XIIIème siècles, importent définitivement les progrès arabes: chiffres arabes, trigonométrie, traduction de l'Almageste de Ptolémée. Paraissent alors des manuels nouveaux à usage des universités -le "De Sphaera Mundi" de Sacrabosco, vers 1230 ou les Tables alphonsines de 1252 qui sont, à l'instigation d'Alphone X de Castille, une correction de celles de Ptolémée. Cette importation de la science en Occident est cependant maintenue sous contrôle: l'aristotélisme -la méthode scientifique- qui la sous-tend doit aider à la connaissance mais pas aux hérésies. Dès 1260, un Bacon puis, ensuite, un Nicolas Oresme tendent à séparer explication scientifique et vision religieuse, mouvement qui est finalement interrompu par la Guerre de Cent Ans et la Peste Noire. L'astronomie, même dans ces conditions, tend à rester proche de pratiques telles l'astrologie voire de la médecine via la théorie des humeurs... A la fin du Moyen Age, l'astronomie arabe est en déclin, celle de l'Inde connaît une forme de renouveau avec un système partiellement héliocentrique plus précis que le modèle que va développer Tycho Brahé en Europe. Les Chinois ont développé des cartes célestes qui servent à la navigation océanique et ils utilisent la sphère armillaire

Copernic

La Renaissance est à la fois réception d'une influence grecque directe via les exilés de Byzance, une fois Constantinople prise par les Turcs en 1452, reprise d'une influence arabe rapportée par ces mêmes Grecs et période de questionnement religieux. L'époque est aussi celle des explorations portugaises et de la découverte de l'Amérique par les Espagnols. En termes d'astronomie, cela mène à l'étape fondamentale de l'héliocentrisme. Sans que l'on sache si Copernic, chanoine polonais, a pu s'inspirer de thèses arabes, qui avaient fait évoluer le modèle des sphères et des épicycles, il propose, en 1510, son modèle héliocentrique, repris du Grec Aristarque: les mouvements et les orbites des planètes s'expliquent mieux par ce modèle, tout simplement. Les vues de Copernic -quoiqu'il ait pris la précaution de les publier dans son "De Revolutione Orbium Coelestium" seulement sur son lit de mort, ont été reçues favorablement par Rome mais elles ont été discréditées du fait des spéculations de Giordano Bruno et des affirmations de Galilée. L'Italien Galilée, le premier à observer les corps célestes avec un instrument optique, confirme, en 1610, le système de Copernic: Vénus présente des phases, Jupiter a des satellites, etc.; le raisonnement de Galilée sur la chute des corps, par ailleurs, qu'il réalisa depuis la tour de Pise et qui remettait en cause les vues d'Aristote sur comment deux corps de poids différent tombaient à terre, fut également découverte que cette chute des corps s'accélère avec l'altitude: le plus un corps chute de haut, le plus il acquiert de la vitesse. Képler, enfin, en 1609, astronome tchèque, disciple du Danois Tycho Brahé, énonce sur la base des données accumulées par ce dernier à l'observatoire visuel d'Uraniborg, ses trois lois sur les orbites planétaires dans l'"Astronomia Nova". L'Allemand Bayer, en 1603, publie l'"Uranométrie", premier catalogue moderne. Les bases de l'astronomie moderne sont posées: le système solaire, l'optique, les orbites, les observations scientifiques. L'Eglise catholique s'y oppose immédiatement: on ne peut encore dire qu'une théorie est vraie sur la seule base de l'expérimentation. On doit s'en tenir à l'aristotélisme catholique qui tient que la Raison contient des vérités mais pas la Vérité et les considérations de la physique ne peuvent servir qu'à une explication qualitative

De la Révolution Industrielle à Einstein

l'observatoire Keck au sommet du Mauna Kea à Hawaï. WMKO

L'étape suivante tient aux péripéties de l'Europe. Alors que la science chinoise reçoit l'apport des missionnaires jésuites ou que l'Inde maintient une forme d'astronomie indépendante, l'Europe verse dans les conflits. L'Angleterre en émerge victorieuse. En 1687, Newton, dans les "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica", montre que la gravité, forme mathématique d'action à distance, permet de retrouver les 3 lois de Képler et il pose les bases générales de la science qui vont permettre la Révolution Industrielle. Un aspect moins connu de Newton est qu'il pratiquait la numérologie, s'en considérant comme un prophète et rival du Christ. Les progrès anglais sont également liés aux besoins de sa marine, qui conquiert les mers, et l'observatoire de Greenwich y participe. Les découvertes, grâce aux progrès de l'optique, continuent - vitesse de la lumière (Römer en 1676), comètes périodiques (Halley en 1705), mouvement propre des étoiles- puis vont s'amplifier -distance Terre-Vénus-Soleil (Thomas Cook en 1769), monture équatoriale (Ramsden, 1774), Uranus (Herschell, 1789), mouvement propre du Soleil en direction des constellations d'Hercule et de la Lyre. Les Lumières généralisent le questionnement relativiste de la place de l'homme et de la Terre et vulgarisent les découvertes de la science. La science est devenue indépendante de la religion. Sur ces bases, le XIXème siècle met au service de l'astronomie les techniques dérivées du progrès industriel: découverte de la ceinture d'astéroïdes, Neptune (1846), spectrographie (qui culminera en 1913 avec le diagramme d'Hertzsprung-Russell), photographie (1ère photographie de la Lune par Draper en 1840), hélium du Soleil. Le XXème siècle va être celui d'une nouvelle étape. Einstein énonce en 1915, les théories de la Relativité restreinte et générale, Max Planck fonde la théorie quantique en 1900, l'Anglais Eddington pense que la fusion nucléaire est la source d'énergie des étoiles (1920), l'Américain Hubble montre que les galaxies sont des ensembles d'étoiles et qu'elles s'éloignent l'une de l'autre (1923-1929), Bethe et Weizsäcker, en 1938, montrent que les étoiles créent les éléments de l'Univers. Le modèle newtonien du système solaire et de la gravité doit donc laisser la place à une nouvelle cosmologie, celle du Big Bang et de l'espace-temps. Le cosmos de Newton était une gigantesque horlogerie de forces mécaniques et d'orbites qui laissait la question des origines dans un flou lointain. Le monde d'Einstein est une cosmologie qui mène l'explication scientifique jusqu'à ces débuts. En ce siècle, le télescope prend définitivement le pas sur la lunette astronomique (le télescope de 5 m du Mont Palomar est construit en 1948) et l'exploration des objets de l'Univers se poursuit grâce à l'observation dans les longueurs d'onde autres que le visible: la fenêtre radio permet la découverte des quasars, des pulsars, et de la radiation cosmique de fond, la matière noire, les jets galactiques ou la structure spirale de la Galaxie; les rayons-X, depuis 1962, découvrent la source centrale de la Galaxie, le rayonnement diffus de fond dans les rayons-X, les trous noirs, les supernovas, les jets relativistiques et les galaxies actives; les rayons gamma, la plus récente fenêtre ouverte dans les rayonnements, permet l'accès aux explosions rayons gamma, aux blazars et à l'interaction des rayons cosmiques; l'infra-rouge permet de percer les nuages de gaz interstellaires ou d'accéder aux disques protoplanétaires et aux exo-planètes. Depuis 1957, le XXème siècle est aussi le siècle de la conquête spatiale. Les missions d'explorations permettent aux astronomes d'observer de plain pied les mondes planétaires alors que les télescopes spatiaux s'installent en orbite, tels le Hubble ou le Chandra. Dérivée des techniques spatiales, l'imagerie électronique des capteurs digitaux surpasse la plaque photographique. Les tenants des "multivers", une conception avancée dérivée du Big Bang, enfin, adhèrent en fait à un aristotélisme inversé: une infinité de mondes sont nés de la fluctuation quantique originelle, chacun avec des lois physiques propres et donc pour jamais hors de l'investigation scientifique

D'une façon plus générale, pour ce qui est de l'histoire des sciences, on peut constater que la physique classique a été l'explication rationaliste du déplacement, de la distance, de la transformation par le déplacement: chaleur, lumière, gravité, fluides, mouvement, mécanique, force, etc. Son domaine d'application a été la Révolution industrielle anglaise. Les deux champs de l'électricité et du magnétisme, qui sont plus d'inspiration américaine, sont venus s'y ajouter, deux forces de la contiguïté. La Relativité einsteinienne est venue donner une autre explication aux domaines de la physique classique pour les grandes échelles: espace-temps, photons, cosmologie. La physique quantique, elle, leur a donné une nouvelle explication pour l'échelle de l'atome et des particules: particules, forces, transport de force (elle s'applique essentiellement à l' énergie atomique). Enfin, depuis les années 1960 voire avant, les progrès de la science en général -et donc de l'astronomie- ont beaucoup dû aux recherches menées par les scientifiques du fait des exigences de la Guerre Froide. Plus récemment le développement de sociétés privées de l'industrie spatiale est venu aussi y ajouter