POUR UNE HISTOIRE DE LA GALAXIE

K. Mizar

Est-ce parce que nous sortons à peine des élections cantonales et régionales ? Les structures hiérarchisées nous sont familières, aussi bien dans l’organisation administrative du pays que dans les groupements naturels des astres de notre environnement. La Terre et la Lune, c’est notre quartier, il est fréquenté par une foule de satellites artificiels. Notre village, c’est le système solaire, notre maire brille de tous ses feux. Les étoiles voisines constituent notre canton ou notre département selon que nous sommes plus ou moins stricts sur la notion de voisinage (ce n’est pas le voisinage au sens de la topologie). L’échelon suivant, la galaxie, notre région. Les galaxies de l’amas local, notre nation ; les autres amas de galaxies les autres nations qui parfois se regroupent en communautés ou en super amas. En Astronomie il n’y a pas de « Nations Unies », il y a l’ Univers dans son ensemble, plus facile à nommer qu’à bien concevoir car, puisqu'il est en expansion, nous le saisissons plus tel qu’il devient plutôt que tel qu’il est. Insaisissable ?

Les journaux nous disent que les Français connaissent mal leur région (du point de vue administratif) ; ils ne savent pas toujours quels départements les constituent. Rien d’étonnant ! N’a-t-il pas fallu des siècles pour que notre appartenance à la Galaxie parvienne à notre conscience ? Comment cette notion s’est-elle formée ? A partir de quelles observations, de quelles mesures, de quelles réflexions ? C‘est une longue histoire dont je voudrais explorer quelques étapes.

LA VOIE LACTÉE

« Le monde doit être admiré avant d’être compris . »
Gaston Bachelard

« Il y a vingt cinq siècles peut-être, sur les bords de la mer divine, où le chant des aèdes venait à peine de s’éteindre, quelques philosophes enseignaient déjà que la Matière changeante est faite de grains indestructibles en mouvement incessant, Atomes que le Hasard ou le Destin auraient groupés au cours des âges selon les formes ou les corps qui nous sont familiers. Ni Moschus de Sidon ni Démocrite d’Abdère ou son ami Leucippe ne nous ont laissé de fragments qui permettent de juger ce qui, dans leur œuvre, pouvait avoir quelque valeur scientifique . »

(Jean Perrin, Les Atomes, 1912)

Suivons l’exemple de Jean Perrin, rappelons que Démocrite, au cinquième siècle avant notre ère, formula déjà l’idée que la Voie Lactée était constituée d’étoiles. Mais rien ne pouvait lui prouver qu’il avait deviné juste. Alors, pour commencer, admirons .

Avec Flammarion, p.805 de son Astronomie Populaire :

« Aux heures calmes et silencieuses des beaux soirs, quel est le regard pensif qui ne s’est pas perdu dans les vagues méandres de la Voie lactée, dans la douce et céleste clarté de cette arche lumineuse qui semble appuyée sur deux points opposés de l’horizon et s’élève plus ou moins dans le ciel suivant le lieu de l’observation et l’heure de la nuit ? Tandis qu’une moitié se montre au-dessus de l’horizon, l’autre s’abaisse au-dessous, et si l’on enlevait la Terre ou si on la rendait transparente, on verrait la Voie Lactée complète sous la forme d’un grand cercle faisant le tour entier du ciel . »

Flammarion se demande alors - l’édition de son livre date de 1880 - si l’ étude scientifique de ce merveilleux objet ne serait pas l’amorce d’une réflexion fructueuse sur la structure de l’Univers. Vision prophétique mais à l’époque c’était encore prématuré et dans son livre Les Etoiles et les curiosités du ciel qui date de 1882, il s’en tient à la même description enrichie de quelques rappels légendaires :

« Une vaste traînée blanchâtre s’élève comme une arche aérienne à travers la voûte étoilée ; l’œil y découvre des irrégularités bizarres : ici elle coule comme un fleuve céleste dans un lit étroit et monotone ; là elle se divise en deux branches qui vont se séparant l’une de l’autre ; plus loin, elle paraît se déchirer en lambeaux, comme une toison légère cardée par les vents du ciel. Les gracieuses légendes de la mythologie voyaient là des gouttes de lait tombées du sein de Junon lorsque Hercule rassasié détourna ses lèvres du sein qui lui était offert ; la poésie égyptienne saluait en elle un chemin éthéré conduisant à la demeure des dieux ; les historiens des vieilles traditions prétendaient y reconnaître la trace de l’incendie allumé par Phaéton lorsque le char du Soleil, mené par ce conducteur novice, glissa obliquement dans les cieux et faillit embraser l’Univers. A l’époque où l’on croyait le firmament solide, on y voyait la soudure des deux hémisphères célestes, et naguère encore les chrétiens mystiques croyaient y deviner les chemin des âmes vers les mystérieuses régions de l’ éternité . »

Ce rôle de Phaéton dans l’organisation du ciel était cité par Lucrèce (De la Nature, livre V) :

« Le feu en effet fut vainqueur, et de ses langues de flamme consuma maintes parties du monde, lorsque écartant Phaéton de sa route, l’ardeur emportée des chevaux du Soleil le traîna dans le ciel et par toutes les terres. Mais alors le Père tout-puissant des dieux, saisi d’un violent courroux contre l’ambitieux Phaéton, d’un coup soudain de sa foudre le renversa de son char et le jeta sur la terre ; et le Soleil allant à sa rencontre, recueillit dans sa chute l’éternel flambeau du monde, ramena les chevaux échappés, les attela tout frémissants encore, et les faisant rentrer dans leur route, rendit la vie à tous les êtres, une fois maître du gouvernement. C’est du moins ce qu’ont chanté les vieux poètes grecs . Mais une telle fable s’écarte par trop de la vérité... »

La fable du lait de la déesse n’est sans doute pas plus vraisemblable . Au moins a-t-elle l’avantage de justifier le qualificatif « lactée » sans expliquer le substantif « Voie ». Je n’ai trouvé nulle part d’indications même approximatives sur l’époque à partir de laquelle la dénomination « Voie Lactée » est devenue familière aux astronomes.

Je risque une explication. Dans le livre de Otto Neugebauer, Les sciences exactes dans l’Antiquité, je lis au chapitre V sur « l’astronomie babylonienne » que deux textes dits mul apin, dont la plus ancienne copie date de 700 ans av J-C, les étoiles sont réparties en trois « voies » dont la moyenne est une ceinture équatoriale d’environ 30 degrés de large. « Voie » serait donc ici à peu près synonyme de zone sphérique. Alors pourquoi pas, dans cette tradition, « Voie Lactée » pour cette zone d’ apparence laiteuse ?

On n’était pas tellement assuré que ce fut un objet céleste. Dans sa Meteorologica, Aristote comprend l’étude des météores, des météorites, des comètes et de la Voie Lactée, tous considérés comme objets sublunaires. Je ne veux pas laisser croire que je fréquente assidûment les textes d’ Aristote, c’est par hasard que je trouve cette remarque en cherchant autre chose dans le tome 3 de Science and Civilisation in China par Joseph Needham.

Car je suis certain de puiser à bonne source quand j’ouvre ce magnifique ouvrage . Ecoutez plutôt cette histoire d’un savant chinois du quatrième siècle de notre ère: Ko Hung avait remarqué la corrélation entre les positions de l’ensemble Soleil-Lune et les variations d’amplitude des marées. Il avait pourtant imaginé une autre explication possible des marées : la mer aurait été attirée vers le fond, d’où la basse-mer, lorsque la Voie Lactée, par effet du mouvement diurne, passait de l’autre côté de la Terre. Et là, plus de relation entre la fréquence des grandes marées et la lunaison. Reconnaissons pourtant que l’idée de Ko Hung était originale et il me plaît de la joindre au florilège de la Voie Lactée .

Il ne sera pas le dernier à attribuer à la Voie Lactée des vertus extraordinaires. Ne répète-t-on pas que les pèlerins, en route pour Saint Jacques de Compostelle, étaient guidés dans leur pérégrination par la Voie Lactée ? Devaient-ils au cours de la nuit changer de direction pour obéir au mouvement diurne ? Ne se fiaient-ils pas à des guides plus sûrs ?

UNE NOUVELLE FENÊTRE S’OUVRE.

Tout au long des siècles obscurs, on contemple ou bien on navigue. Les Arabes enrichissent notre cartographie du ciel, les Chinois repèrent des étoiles invitées », des novæ ou des supernovæ comme celle qui deviendra la nébuleuse du Crabe. Le 11 novembre 1572, Tycho Brahé découvre une nova dans Cassiopée. Mais rien de nouveau au cours de ces siècles sur la Voie Lactée jusqu’en 1609 quand Galilée a l’idée géniale de diriger sa lunette d’ approche conçue pour aider les marins de la marine à voile, vers le ciel ; alors Galilée ouvre une nouvelle fenêtre sur le monde .

Il raconte ses découvertes dans le Sidereus Nuncius, « Le Messager Céleste », qui paraît en 1610. Une courte brochure sans prétention dont il faut relire l’introduction :

« Grandes, en vérité, sont les choses que dans ce court traité je propose à l’observation et à la contemplation de ceux qui étudient la nature. Grandes, dis-je, et par l’excellence de la matière traitée et par la nouveauté insoupçonnée au cours des siècles, enfin par l’instrument grâce auquel elles se sont révélées à notre vue .
Sans doute est-il important d’ajouter à l’immense multitude d’étoiles fixes qui pouvaient s’apercevoir jusqu’à présent par la faculté naturelle, et d’ en révéler d’autres innombrables, jamais vues auparavant, qui dépassent plus de dix fois le nombre des étoiles anciennes et connues.
Quel spectacle merveilleux et émouvant de voir le corps lunaire, éloigné de nous d’environ soixante rayons terrestres, se rapprocher tellement qu’il ne semble plus qu’à deux rayons de distance. Son diamètre nous apparaît presque trente fois, sa surface presque neuf cent fois et son volume presque vingt-sept mille fois plus grand qu’à l’oeil nu. Ainsi l’évidence sensible fera connaître à tous que la Lune n’est plus entourée d’une surface lisse et polie, mais qu’elle est accidentée et inégale, et, tout comme la surface de la Terre, recouverte de hautes élévations et de profondes cavités et anfractuosités.
En outre il n’est pas superflu, semble-t-il, d’avoir éliminé les controverses sur la Voie Lactée, et d’en avoir révélé aux sens, comme à l’ intelligence, la véritable nature. Quant à ce que les astronomes ont appelé jusqu’ici les nébuleuses, il sera intéressant et très beau d’en faire toucher du doigt la substance, si différente de celle qu’on lui a jusqu’ici attribuée. »

Mais ce qui surpasse en merveille toute imagination, pour Galilée et pour ses contemporains, c’est la découverte des quatre astres errants qui circulent autour de Jupiter. Un bon tiers de la brochure détaille les mouvements de ces satellites. Pour ce qui concerne notre problème, celui de la Voie Lactée, Galilée insiste surtout sur cette propriété de la lunette d’ augmenter de façon considérable le nombre des étoiles visibles .

« Et pour donner une idée de leur nombre inconcevable, j’ai reproduit, dit-il, le dessin de deux constellations, afin que par comparaison, on puisse juger des autres ; »

Voici la reproduction des deux dessins de la Ceinture d’Orion et des Pleïades :

 

Enfin voici ce qu’il écrit sur la Voie Lactée :

« En troisième lieu, ce qu’il nous a été donné d’observer, c’est l’essence ou mieux, la matière dont est constituée la Voie Lactée, telle qu’elle apparaît au moyen de la lunette et ainsi, toutes les discussions qui, pendant tant de siècles, ont partagé les philosophes, prennent fin devant la certitude qui s’offre à notre vue, et grâce à quoi nous sommes libérés des disputes verbeuses. La Voie Lactée n’est autre, en effet, qu’un amas d’ innombrables étoiles disséminées en petits tas : quelle que soit la région dans la- quelle on dirige la lunette, aussitôt se présente à la vue un nombre considérable d’étoiles, dont plusieurs se montrent grandes et distinctes ; mais la multitudes des petites étoiles demeure complètement indiscernable »

Galilée, on le comprend, est en admiration devant les possibilités ouvertes par la lunette. Il croit même qu’elle permettra de mesurer la distance des étoiles (en un sens, il a raison mais il faudra attendre les lunettes à oculaire convergent et les montures de précision qui ne seront réalisées que plus de deux siècles plus tard).
Galilée ajoute enfin une remarque intéressante sur la présence des objets nébuleux » :

« Ce que les astronomes ont appelé jusqu’ici les nébuleuses sont des agrégats de petites étoiles, admirablement disséminées. Tandis que chacune d’elles, par suite de sa petitesse ou plutôt de son très grand éloignement, échappe à notre regard, l’inter- férence de leur rayonnement produit cette lueur que l’on a prise jusqu’à présent pour une partie plus dense du ciel, propre à réfléchir les rayons des étoiles ou du Soleil. Nous en avons observé quelques-unes, et nous avons voulu donner ici la description de deux d’entre elles. La première représente une nébuleuse dans Orion dans laquelle nous avons compté vingt et une étoiles ; la seconde, une nébuleuse appelée Praesepe située dans la constellation du Cancer. Ce n’est pas seulement une étoile, mais un agrégat de plus de quarante étoiles. Nous en avons reproduit trente six, en dehors des deux Anons. »

Galilée est très prudent quand il pense que la petitesses des étoiles peut être due à leur très grande distance. Mais il se trompe quand il pense que toute nébulosité sera résoluble en étoiles.

Retenons cependant ce coup d’oeil génial sur la Voie Lactée à la fin de l ’année 1609. Une date qui ouvre l’âge d’or de l’astronomie d’observation. Et, pour les astronomes, la Voie Lactée, si elle ne présente plus de mystère est riche de problèmes... que la suite de notre feuilleton tentera de décrire.

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Le défaut d’une suite d’articles, en feuilleton, sur un vaste sujet est, le plus souvent, un manque d’unité de ton d’un épisode au suivant. Ou bien une documentation est apparue plus riche sur une période que sur l’autre, ou bien l’auteur n’a pas été aussi courageux dans ses recherches, aussi scrupuleux dans ses analyses d’un trimestre au suivant. Mais c’est aussi un avantage du feuilleton ; arrivant après trois mois, vue la cadence de notre publication, le deuxième épisode peut corriger certaines imperfections du premier. Ou bien de l’un à l’autre, une lecture imprévue a enrichi la documentation.

RETOUR SUR LA LUNETTE.

C’est ce qui vient d’advenir avec la prochaine publication d’une nouvelle traduction du Sidereus Nuncius qui va paraître en septembre 1992 sous le titre « Le Messager des Etoiles ». Ayant eu la faveur de lire l’ouvrage sur épreuves, j’ai tiré grand profit de la remarquable présentation par le traducteur Fernand Hallyn. Il insiste justement sur la portée de l’ initiative de Galilée : avec la lunette, observer le ciel et avoir confiance dans les images obtenues.

C’était d’autant plus audacieux que, pour les contemporains, la vision à l’œil nu était considérée comme une norme par rapport à laquelle la vision à la lunette avait tous les défauts ou tous les caractères d’un artefact. Ce qu’exprimait Vasco Ronchi dans l’introduction au livre de Della Porta « De Telescopio » :

« Le but de la vue est de connaître la vérité. A travers les lentilles de verre, on voit des figures plus grandes ou plus petites que celles qu’on voit à l’œil nu, plus voisines ou plus lointaines, quelquefois renversées, irisée ou déformées. Elles trompent et ne doivent pas être utilisées. »

Une réaction qui ne devrait pas nous surprendre si nous pensons à toutes celles qui ont accueilli les grandes innovations. Il faut le temps de s’y habituer ou, ce qui revient au même dans le cas de la lunette, le temps d’ apprendre à interpréter les nouvelles images.

L’objection des images irisées ou déformées devait être prise au sérieux. Dans la lunette de Galilée, à oculaire divergent, l’image n’est pas renversée mais rien ne corrige les aberrations chromatiques. Dès 1611, dans sa Dioptrique, Kepler montrait qu’on pouvait remplacer avantageusement l’ oculaire divergent par un oculaire convergent ; il est vrai que l’image est alors renversée mais l’inconvénient est minime en astronomie et ce petit inconvénient est compensé par un accroissement du champ. Sans nous attarder sur ces aspects techniques de l’observation, rappelons les deux perfectionnements de la lunette astronomique qui ne tardèrent pas à se populariser : l’oculaire convergent de Huygens à plusieurs lentilles corrige les aberrations chromatiques ; le réticule et le micromètre à fil de Auzout, Crabtree et Gascoigne fait de la lunette l’outil de base de l’astrométrie moderne.

En tous cas, avec la lunette, Alexandre Koyré considère que commence la phase instrumentale de l’histoire des sciences et F.Hallyn ajoute :

« A partir de la lunette, la science ne relève plus de la réception, même stabilisée et raffinée, mais de l’agression par laquelle l’homme tente d’ arracher des secrets à la Nature . »

D’ailleurs dès les premières lignes de sa Dioptrique (1637), Descartes s’ exprime clairement en faveur de l’instrument lunette :

« Toute la conduite de notre vie dépend de nos sens, entre lesquels celui de la vue étant le plus universel et le plus noble, il n’y a point de doute que les inventions qui servent à augmenter sa puissance ne soient des plus utiles qui puissent être. Il est malaisé d’en trouver aucune qui l’augmente davantage que celle de ces merveilleuse lunettes qui n’étant en usage que depuis peu, nous ont déjà découvert de nouveaux astres dans le ciel et d’ autres nouveaux objets dessus la Terre, en plus grand nombre que ne sont ceux que nous y avions vu au paravent ; en sorte que portant notre vue beaucoup plus loin que n’avait coutume d’aller l’imagination de nos pères, elles semblent nous avoir ouvert le chemin, pour parvenir à une connaissance de la Nature beaucoup plus grande et plus parfaite qu’ils ne l ’ont eue. »

Cet enthousiasme du philosophe n’est-il pas sympathique ?

RETOUR SUR LA VOIE LACTÉE

La présentation par F.Hallyn du Messager des Etoiles me signale aussi quelques fâcheuses insuffisances du premier épisode de notre histoire.

La découverte d’un grand nombre d’étoiles relève d’un penchant copernicien, selon F. Hallyn :

« Kepler rappelle ainsi que les rabbins comptaient plus de 12 000 étoiles, qu’un religieux de sa connaissance en dénombrait plus de 40 dans le bouclier d’Orion et que Mästlin en voyait 14 dans les Pléïades . D’autre part, Démocrite avait déjà défini la Voie Lactée comme un amas d’étoiles innombrables, affirmation reprise en 1603 par Johann Bayer dans son Uranometria. »

Oui, mais Galilée, lui, n’imagine pas, avec sa lunette, il voit les innombrables étoiles de la Voie Lactée. Le problèmes est définitivement résolu comme Pascal l’écrit dans sa préface au Traité du Vide :

« Car n’étaient-ils pas (les Anciens) excusables dans la pensée qu’ils ont eue pour la Voie de lait quand, la faiblesse de leurs yeux n’ayant pas encore reçu le secours de l’artifice, ils ont attribué cette couleur à une plus grande solidité en cette partie du ciel, qui renvoie la lumière avec plus de force ? Mais ne serions nous pas inexcusables de demeurer dans la même pensée maintenant qu’aidés des avantages que nous donne la lunette d’ approche, nous y avons découvert une infinité de petites étoiles, dont la splendeur plus abondante nous a fait reconnaître quelle est la véritable cause de cette blancheur »

Problème résolu, même s’il reste à voir si toute « nébulosité » est, comme Galilée le croit, résoluble en amas d’étoiles. Prudemment, le collège des mathématiciens du Collège romain des Jésuites déclare :

« ...pour la Voie Lactée, il n’est pas aussi certain qu’elle se compose toute entière de petites étoiles, et il paraît plus probable qu’il y a des parties continues plus denses, bien qu’on ne puisse pas nier qu’il y ait effectivement beaucoup de petites étoiles dans la Voie lactée également. »

Prudence jésuite exemplaire, encore qu’on ne sache pas comment il paraît plus probable qu’il y ait des parties continues, etc. Mais aussi comment voulez-vous qu’avec les moyens de l’époque et les idées qu’on pouvait se faire sur la nature d’une étoile, on ait aussi une idée sur les « nébuleuses »?

PROBLÈMES D’INVENTAIRE

Deux questions sont donc immédiatement posées à tous les astronomes armés désormais de lunettes, qui peu à peu vont se perfectionner. Pour préciser la notion de « nébuleuse » et ne pas en rester aux formules prudentes des Jésuites, il faut citer des exemples et les observer. Dès 1611, Simon Mayer, pour la « nébuleuse d’Andromède » et Nicolas Peiresc pour la « nébuleuse d’ Orion » proposent aux astronomes de belles énigmes ; ces deux objets typiques resteront durablement dans la ligne de mire de générations d’ astronomes. Même si, pour le moment, Mayer et Peiresc optent pour l’ expression « nébuleuse » qui entend seulement décrire un aspect. On est bien loin , à l’époque de se poser des questions d’astrophysique.

La deuxième question posée est celle de l’existence possible d’une évolution dans le monde céleste. Poser la question est presque impie si on réserve le ciel comme demeure de l’éternel ou même de l’Eternel. La question se pose pourtant depuis que Galilée, Johann Fabricius et Christian Scheiner ont découvert et observé des taches variables sur le disque solaire. La dispute sur la question a beaucoup excité Galilée qui adore vraiment polémiquer. Peu importe qui le premier a observé les taches. L’important c’ est que ces taches varient, évoluent et qu’elles révèlent la rotation du Soleil sur lui-même. Sans aucun doute, il y a des phénomènes évolutifs dans l’Univers, pensée révolutionnaire qui fera son chemin...

Déjà, en 1572, rappelez-vous, Tycho Brahé avait découvert une étoile nouvelle dans Cassiopée, une étoile qui, deux ans plus tard n’était plus visible (à l’œil nu). Et bien avant, 1054, les Chinois avaient découvert une « étoile invitée » comme ils disaient savoureusement, dans la Constellation du Taureau (et on en reparlera). L’évolution crève les yeux mais on parvient mal à l’admettre, toujours à cause de l’éternel.

Plus près de nous, en 1596, David Fabricius a découvert les variations d’ éclat de l’étoile la plus brillante de la Baleine, celle que Hevelius dénomma « La Merveille ». Avec les lunettes, voici un bel objet à observer ; Boulliau, en 1667, vérifie que la variation d’éclat est périodique (il évalue la période à 333 jours). Vers la même époque, Montana, à Bologne observe Algol dans Persée.

Non seulement il y a des étoiles d’éclat variable, mais ces astres réputés fixes ne le sont pas tellement. Jacques Cassini, le fils de Jean-Dominique, premier de la dynastie, décèle les premiers mouvements propres stellaires.

On ne finira jamais de faire l’inventaire de la Voie Lactée et comme la lunette augmente la précision des repérages, les astronomes publient de nouveaux catalogues célestes. En particulier, celui de Hevelius à qui nous devons la dénomination de l’Ecu de Sobieski pour cette région particulièrement riche de la Voie Lactée.

L’INTÉRÊT DES COMÈTES

Dans ses Annales célestes du XVII ème siècle, Pingré réserve chaque année une place de choix aux observations de comètes. En 1680, Newton a définitivement établi le caractère céleste des comètes, contre ceux qui n’y voyaient que des phénomènes sublunaires - et Galilée s’était fourvoyé dans une querelle à ce sujet. Maintenant, on dispose de la lunette, et la chasse aux comètes est vraiment ouverte.

Une difficulté se présente dans leur identification. Une comète apparaît comme un objet flou, ou disons-le, nébuleux. Alors est-ce une comète ou une de ces « nébuleuses » dont la lunette a révélé l’existence ? Pour décider, il suffit de poursuivre l’observation de l’objet pendant plusieurs jours. Si on observe un mouvement propre de l’objet par rapport aux étoiles fixes, alors, plus de doute, c’est une comète. On peut aussi vérifier sur un catalogue céleste qu’à cet emplacement il n’y a pas de « nébuleuse ». Encore faut-il qu’un tel catalogue d’objet flous existe.

Charles Messier (1730-1817) qui a découvert plus de vingt comètes comprit l’intérêt de ce catalogue de nébuleuses et entreprit de l’établir. Avec, pour nous, la surprise d’apprendre qu’il utilisa pour ce faire l’ observatoire de la Marine installé dans le site le plus inattendu, le pavillon de Cluny, au cœur du quartier latin de Paris. Il faut croire qu’au temps de Messier le ciel de Paris n’était pas ce qu’il est devenu.

Résultat, nous conservons le numérotage des objets que Messier observa et catalogua, même s’il mêle des objets nébuleux que nous savons aujourd’hui de natures très diverses. Messier 1 ou M1 c’est donc la nébuleuse du Crabe, identifiée aujourd’hui comme le résidu de la supernova galactique observée en 1054 par les Chinois comme « étoile invitée ». M13 est l’amas globulaire de la constellation d’Hercule. M42 et M43, dans Orion, sont des nébuleuses typiques mais Messier n’en sait encore rien. M31, la « nébuleuse d’ ndromède » nous servira longtemps de modèle pour notre propre Galaxie. M32, découverte en 1749 par Le Gentil sera reconnue beaucoup plus tard comme une galaxie ellipsoïdale typique.

Eu égard aux instruments dont disposait Messier, son catalogue ne pouvait échapper au genre « inventaire à la Prévert ». Pas de raton laveur mais des vrais amas ouverts comme les Pléïades (M45), des vraies nébuleuses comme celles d’Orion, des fausses comme celle d’Andromède. Une belle liste de 103 objets. M103 est un amas ouvert que la Revue des Constellations dit facile à observer dans Cassiopée. Facile peut-être pour les amateurs contemporains autrement équipés que le brave Charles du haut de Cluny (mais où donc avait-il trouvé une terrasse pour installer sa lunette ?)

La curiosité pour les comètes n’avait-elle que des motifs raisonnables ? Même au siècle des philosophes, il y avait encore des gens pour voir dans les queues de comètes des signes diaboliques. Quoi qu’il en soit, la chasse aux comètes a joué un rôle utile dans les observations qui avancèrent l’ exploration de la Voie Lactée. Restait à se faire une idée de la structure de cet ensemble d’objets un peu hétéroclites. En avait-on vraiment les moyens au XVIII ème siècle ?

Non bien sûr, et pour deux raisons principales : la mesure des distances stellaires est inaccessible, la nature physique des étoiles et des nébuleuses » reste inconnue. Donc les données manquent, l’astrophysique n’ est pas encore née.

Mais qui empêchera les esprits audacieux de formuler des hypothèses ? Devant le spectacle de la Voie Lactée, comment n’en pas imaginer ? En 1750, l’Anglais Thomas Wright ouvre le débat avec l’hypothèse suivante : puisque nous voyons la Voie Lactée encercler le ciel, c’est que nous (le système solaire) sommes dedans et voyons, en projection sur la sphère céleste un ensemble qui est en réalité plutôt plat et de dimensions immenses.La conception reste forcément un peu vague mais l’hypothèse mérite d’être considérée sérieusement. Le philosophe Emmanuel Kant l’approuve. Ce Wright aura été un pionnier ; les dictionnaires généralement l’ignorent, les Wrigth aviateurs lui faisant tort du côté de la réputation...

Jean-Henri Lambert (1728-1777) qui fut pensionnaire de l’Académie de Berlin avait publié en en 1761 des Lettres Cosmologiques. Il y concevait que le Soleil était entouré de milliers d’étoiles constituant une sorte de système élémentaire, la Voie Lactée étant vue alors comme la réunion de tels nombreux systèmes élémentaires. Lambert imaginait même que d’autres Voie Lactées pouvaient former une structure de plus haut degré. Autrement dit une hiérarchie de structures, mais évidemment toujours rien de précis sur de véritables dimensions.

Il faudra attendre les années 1784-85 pour que les observations systématiques menées par Herschel apportent les premières précisions. Episode capital dans l’histoire de la Galaxie et, pour ne pas encombrer les Cahiers, je renvoie ce sujet au prochain numéro...

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Après les grandes découvertes du XVII ème siècle - la lunette, la résolution en étoiles de la Voie Lactée - le siècle suivant paraît marquer une certaine pause. On perfectionne les instruments, on affine les mesures (Bradley), on accumule les bonnes observations (Messier), on lance de bonnes et grandes idées (Lalande, Kant, Lambert), on ne lâche surtout pas la mine qu’est l’héritage de Newton (Clairaut, d’Alembert, Laplace, Lagrange). Comme toujours dans l’histoire de l’astronomie, un profond travail de réflexion prépare l’épanouissement d’une nouvelle grand époque.

Ce sera celle du tournant des deux siècles, le dix-huitième et le dix-neuvième, avec ce qui peut paraître le couronnement, l’achèvement de la mécanique céleste, avec ce qui ne paraîtra pas tout de suite la grande novation, les premières observations astrophysiques de Herschel. Mais avec Herschel, c’est bien la grande astrophysique qui commence.

DES PRÉCURSEURS

En 1774, Alexandre Wilson, professeur d’astronomie à Glasgow, émet l’ hypothèse que les taches du Soleil sont des dépressions dans la surface du Soleil qui révèlent des couches inférieures non lumineuses. Les bords des pénombres des taches ne sont-ils pas comme les bords escarpés d’une dépression ? Au contraire, à la même époque (deux ans plus tard), dans un grand « Mémoire sur les taches du Soleil et sur sa rotation » (Mémoires de l’Académie des Sciences pour 1776, p.457), Lalande écrit:

« J’ai pensé que les taches étaient plutôt les éminences d’un noyau solide, découvertes et recouvertes alternativement par le flux et le reflux de la matière ignée où elles sont presque toujours plongées. »

Notons d’ailleurs que cette curieuse hypothèse sur la nature des taches n’occupe qu’une faible partie de son mémoire beaucoup plus développé sur la méthode pour calculer la position d’une tache et en déduire la vitesse de rotation du Soleil et la position de son équateur.

Autre question soulevée par ces précurseurs, le mouvement des étoiles et celui du Soleil en particulier. Tobias Mayer à Goettingen, est persuadé, dès 1760, que l’ensemble des étoiles dites fixes est animé de mouvements divers, que la constance de l’aspect des constellations n’est que relative. Lalande a bien observé le mouvement de rotation du Soleil sur lui-même ; il écrit:

« une force quelconque imprimée à un corps et capable de le faire tourner autour de son centre, ne peut manquer aussi de faire déplacer le centre, et l’on ne saurait concevoir l’un des mouvements sans l’autre. Il paraît donc très vraisemblable que le Soleil a un mouvement réel dans l’espace absolu ; mais comme il entraîne nécessairement la Terre, de même que toutes les planètes et les comètes qui tournent autour de lui, nous ne pouvons nous apercevoir de ce mouvement, à moins que par la suite des siècles le Soleil soit arrivé sensiblement plus près des Etoiles qui sont dans une région du ciel que de celles qui sont opposées. »

En note, il ajoute une précision:

« Si les positions des étoiles observées par Hipparque il y a près de deux mille ans avaient plus de précision, on pourrait commencer à voir si les différences de longitude sont plus grandes d’un côté et plus petites de l’ autre que celles qui avaient lieu de son temps ; mais un jour viendra où cette comparaison pourra nous apprendre quelque chose sur la question dont il s’agit. »

Enfin, dans la conclusion de son mémoire, Lalande émet une nouvelle hypothèse :

« Il peut se faire aussi que le Soleil et la plupart des Etoiles soient, avec leurs systèmes, dans une espèce d’équilibre entre tous les systèmes environnants ; et dans ce cas, il n’y aurait qu’une circulation périodique du centre du Soleil autour du centre de gravité universel. »

L’idée est reprise par Alexandre Wilson qui la développe dans un texte Thoughts on General Gravitation » qui paraît à Londres en 1777 et que Herschel lira.

Par quelles observations, par quelles réflexions, Herschel devra-t-il commencer pour élaborer ses idées sur la Voie Lactée ? Heureusement il ne se pose pas la question. Par son origine il est un astronome « amateur », il est curieux de tout. Il va avancer dans tous les domaines.

L’INGÉNIEUX HERSCHEL

N’oublions pas que durant ses débuts, Herschel assure la conduite d’un orchestre dans la ville d’eau de Bath, l’astronomie n’est que son occupation de loisir. Il y prend l’habitude de s’équiper de télescopes qu’il construit lui-même. On admire d’autant plus les découvertes qu’il su en tirer, surtout si l’on songe au ciel d’Angleterre que Shelley allait bientôt célébrer dans l’Ode to the west wind... Notre bricoleur génial voit de plus en plus grand, du premier télescope de 7 pieds aux célèbres et pittoresques télescopes de 20 pieds puis de 40 pieds dont les miroirs en bronze avaient été polis par Herschel lui-même.

  

Le télescope de 7 pieds - Le télescope de 20 pieds.

C’est avec ces instruments que Herschel va donner un nouvel élan à l’ exploration de la Voie Lactée comme nous tenterons de l’analyser plus loin. Mais nous ne pouvons éviter une parenthèse pour saluer ses premiers gestes d ’astrophysicien. Il veut comprendre comment le rayonnement du Soleil nous chauffe. Admirons l’ingéniosité de ses dispositifs. Il pressent que l’ échauffement produit varie selon la couleur du rayonnement recueilli : il sélectionne des portions du spectre solaire en ménageant des fenêtres dans un écran (fig.4). Pour les rayons rouges, verts ou violets, il trouve sur les thermomètres des échauffements proportionnels à 55, 24 et 16 respectivement. Si l’échauffement va ainsi croissant du violet au rouge, il se demande même s’il n’y a pas, dans le rayonnement, « quelque chose » au delà du rouge. De façon purement expérimentale, il découvre donc l’existence du rayonnement infra rouge (fig.5). Par contre, il ne cherche pas au-delà du violet ou bien son dispositif est trop peu sensible pour donner un résultat significatif ; il laisse donc à J.W. Ritter (Munich 1801) la découverte du rayonnement ultra violet.


fig 5 - - - - - - - - fig 6

En 1798, Herschel fixe un prisme à l’oculaire de son télescope et observe la lumière de six étoiles de première grandeur. Il note la prépondérance du rouge chez Bételgeuse, du bleu chez Procyon, de l’orange chez Arcturus. Ces premiers pas de la spectroscopie stellaire sont modestes mais ce sont les premiers pas.

LE MOUVEMENT DU SOLEIL

Fermons cette parenthèse sur l’étude des rayonnements et revenons à l’ exploration de la Voie Lactée. Herschel voudrait, pour commencer, se faire une idée du comportement du Soleil parmi les étoiles, parmi ses semblables en quelque sorte.

On a vu que Mayer à Goettingen, Lalande à Paris, Wilson à Cambridge ont déjà reconnu que parmi les fixes (comme on dit), il existait des étoiles ayant des mouvements les une par rapport aux autres. Herschel pense que si une étoile se déplace, son attraction sur les étoiles de son voisinage va changer, ce qui va altérer l’équilibre des forces en présence qui aurait pu, sans cela, maintenir l’ensemble des étoiles au repos les unes par rapport aux autres. Telle est son idée, une idée de théoricien. Lui qui est d’abord observateur, il consulte le célèbre catalogue d’étoiles établi par Flamsteed un siècle auparavant : il constate que des étoiles semblent avoir disparu, avoir varié d’éclat ou même être apparues. Comment expliquer ces changements ? Même s’il admet qu’il peut y avoir, dans le catalogue Flamsteed, quelques erreurs de mesure, prévaut chez Herschel la conviction qu’il y a un mouvement général des étoiles les unes par rapport aux autres. Et par conséquent, mouvement du Soleil par rapport aux étoiles de son voisinage.

Se pose alors la question : comment trouver la direction dans laquelle se déplace le Soleil et selon quelle vitesse ? Lorsqu’on observe le déplacement apparent d’une étoile particulière, on ne peut distinguer ce qui est dû au mouvement propre de l’étoile et ce qui provient du changement de position de l’observateur (effet de parallaxe).


fig 6

Supposons, dit Herschel, que le Soleil se dirige dans la direction SB (fig.6) et supposons que l’étoile A soit sans mouvement propre apparent. Quelques années plus tard, le Soleil (et l’observateur terrestre) est venu en S’, la direction de l’étoile A paraîtra s’être écartée de la direction SB. Autrement dit, sur la sphère céleste, les étoiles paraîtront diverger de B, la direction de l’apex, et converger vers B’, la direction de l’antapex. Et ces apparences traduiront le mouvement du Soleil vers l’apex.

Dans la réalité, les choses se compliquent : comment savoir si l’étoile A est au repos ou si, au contraire, elle a un important mouvement propre ?A l’ époque de Herschel, la spectroscopie stellaire ne peut fournir aucun indice. Il pense qu’en prenant en compte les déplacements apparents d’un nombre assez grand d’étoiles, en moyenne leur déplacements propres s’équilibreront et laisseront apparaître l’effet parallactique dû au déplacement du Soleil.

Herschel mena cette recherche avec acharnement et par deux voies distinctes. Dans l’une, il sélectionna un certain nombre d’étoiles doubles ; comme nous l’examinerons plus loin, ses hypothèses de base en ce domaine étaient erronées et ne pouvaient donner en la circonstance de résultat valable. Dans l’autre voie, il reprenait les treize étoiles dont les mouvements propres avaient été mesurés aussi bien par Maskeline, l’Astronome Royal que par Jérôme Lalande. A partir de ces données, il trouvait que le système solaire se déplaçait dans la direction de l’étoile Lambda Herculis. A partir de données relatives à quarante quatre étoiles observées par Tobias Mayer à Goettingen, Herschel trouvait le même résultat. Il suggérait même que si certaines étoiles paraissaient contredire cette conclusion générale, cela pouvait s’expliquer par l’appartenance du Soleil à un sous ensemble d’ étoiles voisines ayant son mouvement propre par rapport à l’ensemble des autres étoiles. Intuition remarquable qui sera confirmée par les mesures modernes sur la rotation de la Galaxie.

Herschel ne connaît pas que des réussites, il échoue dans l’évaluation de la vitesse de déplacement du Soleil. A priori, il pense qu’elle ne peut être moindre en valeur absolue que celle de la Terre sur son orbite (mais pourquoi ?). Toutes les difficultés qu’il rencontre proviennent de ses échecs à mesurer des parallaxes stellaires et de son hypothèse erronée selon laquelle toutes les étoiles auraient une même luminosité intrinsèque. De plus il pense que les étoiles de deuxième grandeur sont deux fois plus loin que celles de première grandeur et que, se situant sur une sphère de rayon double, elles ne sont pas quatre mais deux fois plus nombreuses !

En passant, une anecdote. Herschel avait été frappé par les désaccords entre les données du catalogue de Flamsteed (publié en 1725, six ans après la mort de l’astronome) et le ciel qu’il observait. Il demanda à sa sœur Caroline de reprendre toutes les mesures de Flamsteed, un travail méticuleux de vingt mois au terme desquels Caroline découvrit que 111 étoiles mentionnées dans le catalogue n’avaient jamais été observées par Flamsteed alors que 500 étoiles qu’il avait exactement repérées avaient été omises dans le catalogue imprimé. Caroline publia en 1798 un catalogue dûment révisé. Herschel savait aussi exploiter la compétence et le dévouement de sa sœur.

THE CONSTRUCTION OF THE HEAVENS

Tout au long de ses activités d’astronome, Herschel s’est préoccupé de ce qu’il appelait « the Construction of the Heavens » que nous traduirons de façon approximative par « l’Architecture de l’Univers ». Il ne mentionne nulle part qu’il ait connu le schéma imaginé par Thomas Wright. Dès 1784, dans une communication à la Royal Society, il écrit qu’il est probable que le Soleil et son cortège de planètes sont placés dans la grande accumulation d’astres de la Voie Lactée « et peut-être même au centre de son épaisseur. Un schéma dessiné de la main d’Herschel (fig.7) montre comment il imagine cet ensemble, plutôt aplati et qu’un observateur placé en son sein, voit sous la forme de la Voie Lactée entourant tout le ciel. Il tente même de concilier ce schéma avec ce qu’il a trouvé concernant le mouvement du Soleil : l’apex tel qu’il l’a défini est voisin de la région du ciel où la Voie Lactée se sépare en deux branches.


(fig.7)

Pour toutes ces observations, Herschel utilisait son télescope de 20 pieds (qui avait presque 50 cm d’ouverture). La monture ne permettait que des observations méridiennes. Dans la direction d’Orion, Herschel résolut la région de la grande nébuleuse en quelques 80 étoiles. Cela lui suggéra la méthode des « jauges » : pointer le télescope successivement dans toutes les directions et compter les étoiles visibles. Il espérait en déduire les limites du monde stellaire.

Une difficulté inévitable se présenta aussitôt : la découverte d’amas et de nébulosités bien plus nombreux que ceux qui avaient été catalogués par Messier. Au début, Herschel était persuadé que toute nébulosité serait résoluble en étoiles pourvu qu’on l’observe avec un télescope assez puissant. mais il du finalement reconnaître que certaines nébulosités restaient floues même dans son grand télescope. Il se décida à choisir ses « jauges » de préférence dans des directions pauvres en nébulosités.

Ses hypothèses de base restaient pour les étoiles, leur égale luminosité intrinsèques et leur distribution uniforme dans l’espace. Chaque jauge, c’est à dire chaque dénombrement devait donc lui donner une évaluation de l’étendue du monde stellaire. En prenant pour unité de distance, la distance de Sirius, l’étoile la plus brillante, donc, selon ses critères, la plus proche, il allait jusqu’à des étoiles 497 fois plus nombreuses, résumant ses conclusions en un nouveau schéma représentant une section du système des étoiles.

Il voyait dans celui-ci comme un vaste amas d’étoiles comprenant aussi des amas globulaires et des amas irréguliers, mais un ensemble relativement limité dans un espace vide au-delà... Il ajoutait l’hypothèse que la densité d’un amas mesurait la durée depuis laquelle les étoiles qui le composaient se rassemblaient. A partir de quoi l’ensemble Voie Lactée lui paraissait plutôt jeune (mais je n’ai trouvé nulle part d’ordre de grandeur pour comprendre ce que signifiait cette jeunesse). Il imaginait enfin que des systèmes stellaires analogues à la Voie Lactée pouvaient exister puisque des objets nébuleux étaient visibles dans des directions tout à fait extérieures au plan général de la Voie Lactée. Voilà une idée qui devait faire son chemin.

Il y aurait encore beaucoup à dire sur Herschel et ses observations du monde des « nébuleuses ». Avec son grand télescope, un aide, sur son ordre, « balayait » une région du méridien, Herschel disait ce qu’il découvrait et Caroline notait scrupuleusement les paroles du frère : une organisation très efficace. En 1786, Herschel publia un premier catalogue de mille nébuleuses et amas découverts depuis 1783. Deux autres catalogues suivirent en 1789 et 1802. On est presque étonné que cet observateur infatigable n’ait pas décelé la forme spiralée de certains objets découverts car, au contraire, il précisa ce qu’il appela « nébuleuses planétaires », ces objets qui ne sont pas des nébuleuses et n’ont rien de planétaire, mais qui conservent le nom que leur attribua Herschel.

Dans notre feuilleton « Pour une histoire de la Galaxie », il fallait marquer l’étape Herschel. Avec lui, pour la première fois, une conception d’ ensemble du monde stellaire est énoncée, observations à l’appui. Des idées sont proposées à la réflexion des astronomes, en particulier cette hiérarchie des structures qui nous est familières mais qui, du temps de Herschel, ne pouvait pas l’être. Pour ce savant, comme pour tous les grands précurseurs, on se prend à regretter qu’ils n’aient pu connaître certains importants acquis des décennies suivantes. Faute de connaître les premières mesures de distances stellaires, faute d’avoir une idée de la variété des types et des tailles d’étoiles, Herschel du recourir à des hypothèses qui furent malheureusement trop simplificatrices.

Mais non, ne regrettons rien. Admirons sans arrière pensée l’ingéniosité des instruments qu’il utilisa et profitons des progrès qu’il a fait faire à notre connaissance de la Galaxie. Préparons nous, à partir de ses magnifiques catalogues de nébuleuses à la grande exploration (avec Lord Rosse) et au grand débat (avec Shapley) qui donneront corps à la Galaxie et au monde extragalactique dans lequel notre imagination trouve aujourd’hui matière à s’émerveiller.

K.Mizar

les Cahiers Clairaut N°58-59-60
Eté-Automne 1992-Hiver 1992-93