De temps en temps, un astre errant ralentit sa progression par rapport au zodiaque, s’arrête momentanément, puis se déplace pendant quelques semaines dans le sens contraire de son mouvement habituel, soit d’est en ouest. On dit

alors qu’il effectue un mouvement rétrograde.

Des liens inexpliqués:

• Le centre des épicycles de Mercure et Vénus devait toujours demeurer sur la ligne joignant la Terre et le Soleil

• La ligne joignant le centre de l’épicycle à la planète devait toujours être orientée de la même manière que la ligne joignant la Terre au Soleil.

Il y exposait la théorie héliocentrique qui allait supplanter, non sans susciter de violentes réactions, l'antique théorie de Ptolémée.

L'idée de base en est que le Soleil est le centre autour duquel toutes les planètes tournent, y compris la Terre, qui devient une planète comme les autres.

Copernic n’avait aucune preuve observationnelle directe démontrant que les planètes tournaient autour du Soleil. Ses arguments étaient plutôt de nature philosophique. Si le Soleil est plus gros et plus lumineux que la Terre, la place centrale lui revient !

On doit noter que la théorie de Copernic ne permettait pas de faire de meilleures prédictions que celle de Ptolémée: dans les deux cas, l’écart avec les observations était de l’ordre de 5° .

En 1609, soit 66 ans après la publication de la thérie de Copernic, Galileo Galilei, dit Galilée, en explorant le ciel au moyen d'un télescope fit plusieurs découvertes. Deux d'entre elles, bien qu'elles ne confirmaient pas hors de tout doute le système de Copernic, venaient contredire clairement la théorie de Ptolémée.

Vénus, tout comme la Lune, passe par un cycle complet.

• Galilée naît à Pise le 15 février.

• 1604 Galilée découvre la loi de chute des corps et observe la « nouvelle étoile ».

•1610-1616: Les premières observations au télescope sont favorables à la théorie

héliocentrique.

• 1616: Le cardinal Bellarmin condamne le Système de Copernic et admoneste Galilée.

•1633: lecture publique de l’acte d’abjuration.

•1642: Galilée meurt à Florence.

•1992: Galilée est officiellement réhabilité par le Vatican.

Membre de la noblesse du Danemark, Tycho avait fait construire un fastueux château-observatoire, Uraniborg, doté des instruments les plus précis de l’époque.

Il y recueillit des données sur la position des planètes d'une précision de l'ordre de quelques minutes d'arc. Tycho travaillait un demi-siècle avant l’invention du télescope et que toutes les mesures furent prises avec des instruments rudimentaires, essentiellement des rapporteurs d'angle géants et des tiges, qui servaient de viseur.

La question était de de savoir qui de la Terre ou du Soleil tournait autour de l'autre. Si la Terre tournait autour du Soleil, une parallaxe devait être mesurée pour la planète connue la plus éloignée, Saturne. Tycho Brahe n'en détecte aucune. Il conclu donc que la Terre est immobile et que c'est le Soleil qui tourne autour d'elle. L'hypothèse selon laquelle la parallaxe n'était alors pas décelable en raison des distances énormes en jeu ne lui paraissait pas vraisemblable.

Malheureusement, il fut induit en erreur par le fait qu’il n’arrivait pas à mesurer de parallaxe annuelle pour les étoiles, et ce malgré la précision de ses instruments.

Tycho laissa sa théorie inachevée à sa mort, en 1601. Mais il avait rencontré Kepler l’année précédente et lui légua ses précieuses données observationnelles, dans l’espoir qu’elles portent enfin fruit.

Tycho laissa sa théorie inachevée à sa mort, en 1601. Il avait rencontré Kepler l'année précédente et lui légua ses précieuses observations.

Kepler portait un grand intérêt aux mathématiques et à la géométrie.

Les données de Tycho donnèrent naissance à trois lois du mouvement planétaire, qui allaient plus tard servir d'inspiration à Isaac Newton.

Les planètes décrivent autour du Soleil des orbites en forme d'ellipse. Le Soleil n'est pas au centre de l'ellipse mais sur le côté, en un point nommé foyer.

P AF F’

CSoleil

Grand axe = 2a

Demi-grand

axe = a

On définit l’excentricité (e) pour mesurer le degré d’aplatissement de l’ellipse.

e FF'

PA

Le passage du système de Copernic basé sur le cercle, au système de Kepler, fondé sur l’ellipse, s’est immédiatement traduit par une amélioration spectaculaire de l’exactitude des prédictions

Pour la première fois, l’écart entre les résultats de la théorie et ceux des observations était inférieur à l’incertitude sur les les observations elles-mêmes.

La ligne qui relie la planète au Soleil

balaie des aires égales en des

temps égaux.

La planète prend le même temps pour se rendre de A à

B que de C à D; elle va donc plus vite lorsqu’elle est plus proche du Soleil.

Pour toutes les planètes tournant autour du Soleil, le carré de la période sidérale (P) est proportionnel au cube du demi grand-axe (R).

P12

P22

R13

R23

PlanètesPériode P sidérale (années)

Demi-axe majeur a (en

UA)P2 a3 e

Mercure 0,24 0,39 0,06 0,06 0,206

Vénus 0,61 0,72 0,37 0,37 0,007

Terre 1,00 1,00 1,00 1,00 0,017

Mars 1,88 1,52 3,53 3,51 0,093

Jupiter 11,86 5,20 140,7 140,6 0,048

Saturne 29,46 9,54 867,9 868,3 0,056

Uranus 84,01 19,19 7058 7067 0,047

Neptune 64,79 30,06 27160 27160 0,009

Pluton 248,54 39,53 61770 51770 0,248

Observation --- Tycho Brahé

Loi --- Johannes Kepler

Théorie --- Isaac Newton

L’adoption du système héliocentrique de Copernic provoqua une véritable révolution dans l’astronomie. Du modèle de Copernic à la théorie de Newton, il s’écoula un siècle, ponctué par les travaux de deux grands astronomes: Johannes Kepler, le théoricien, et Typhon Brahe, l’observateur.

Isaac Newton est sans contredit l’un des

physiciens les plus importants de l’histoire. La publication en 1687

des Principia, son œuvre maîtresse, le rendit

célèbre et lui valut la vénération de ses pairs.

1. En l'absence de frottement ou de toute autre contrainte ou force, un objet continuera sur sa lancée en ligne droite et à vitesse constante.

2. F = m·a Un corps soumis à l'action d'une force extérieure est accéléré dans la direction de cette force; son accélération est directement proportionnelle à la force extérieure qui agit sur lui.

3. À toute action correspond une réaction égale et de sens opposé.

La loi de la gravitation universelle Deux corps matériels s'attirent avec une force dirigée suivant la droite qui les joint, proportionnelle au produit de leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.  

F =G

m1m2

r2

Où G est la constante gravitationnelle (G = 6.67 · 10-11 N m2/kg2) et r est la distance entre les deux objets de masses

m1 et m2.

F

grav=GMmr2

M mr

Si les anciens Grecs avaient déjà remarqué une relation entre le

mouvement de la Lune et les marées, ce n’est

qu’avec la théorie de la gravitation universelle

de Newton que l’on comprit que la Lune

exerçait une influence gravitationnelle sur les

océans.

Terre

Lune

Lune

En revanche, l’eau des océans qui se trouve de l’autre côté de la Terre est moins attirée que la moyenne de la Terre ce qui se traduit aussi par un renflement

L’eau des océans qui se trouve du côté de la Lune est plus attirée que la moyenne de la Terre ce qui produit un renflement

Changement spectaculaire du niveau de l’océan entre les marées haute et basse dans la baie de Fundy, sur la côte est du Canada

•En 1781, William Herschel entreprit une

observation systématique et

minutieuse de certains secteurs du zodiaque. Il

fit une découverte imprévue: une septième

planète, au-delà de l’orbite de Saturne.

Sir William Herschel (1738-1822)Découvre accidentellement Uranus en 1781.

L'astronome anglais William Herschel détecte la septième planète du système solaire

Uranus. Il croit d'abord avoir découvert une comète mais

comprend rapidement que l'astre est une planète qui parcourt une orbite presque circulaire au-delà

de Saturne. Uranus est la première planète découverte à

l'aide d'un télescope

En 1821, l'astronome Alexis Bouvard nota que l'orbite d'Uranus n'était pas exactement telle qu'elle aurait dû l'être compte tenu de l'attraction du Soleil et des sept autres planètes du système solaire: elle était légèrement déviée vers l'extérieur. J.C. Adams calcula à l'aide de la théorie de Newton où cette planète hypothétique devait se trouver pour expliquer les perturbations de l'orbite d'Uranus.

Trois ans plus tard Urbain Le Verrier obtint les mêmes résultats;l'astronome J.G. Galle prit son calcul au sérieux, et il découvrit une nouvelle planète, qu'on nomma Neptune, à l'endroit même prévu par Le Verrier.

La théorie de la gravitation universelle de Newton vécut sa plus grande heure de gloire.

Les scientifiques et bien des philosophes l’élevèrent sur un piédestal, la considérant comme une vérité absolue qui ne pouvait être remise en question.

L’histoire devait leur jouer un bien drôle de tour.

Peu avant la découverte de Neptune, Le Verrier s'était aperçu que l'orbite de la planète Mercure présentait elle aussi une anomalie. En 1859, il postula l'existence d'une nouvelle planète qu'il nomma, sans attendre sa découverte, Vulcain. En 1909, William Campbell montra qu'aucun objet assez gros pour perturber l'orbite de Mercure ne pouvait se trouver entre Mercure et le Soleil. La théorie de la gravitation de Newton était incapable d'expliquer l'anomalie de l'orbite de la planète Mercure.

Einstein a réussi à montrer que la précession inexpliquée de 42 secondes d'arc par siècle, est en fait due à la très légère déformation de l'espace induite par le Soleil. En relativité générale, les orbites des corps ne sont plus des courbes fermées, et, dans le cas de Mercure, la gravitation générale apporte une très faible correction aux équations de Newton, qui permet de retrouver exactement le taux de précession mesuré.

Si la masse est très petite, ou très éloignée, la courbure de l’espace est négligeable

=> Les lois de Newton sont de bonnes approximations

Mais: des observations détaillées confirme la RG

1) Déviations de l’orbite de Mercure (précession du périhélie)

Newton: Einstein:

• Au début du XXe siècle, l'astronome américain Percival Lowell étudie le problème, non résolu, des perturbations résiduelles de l'orbite de Neptune et d'Uranus. Il effectue aussi une recherche d'une nouvelle planète, mais juste sur le plan de l'écliptique. De 1906 à 1916 des milliers de photographies sont prisent et il les examine très attentivement, c'est procédure longue et laborieuse. En 1915, l'étude des perturbations des deux planètes géantes sont terminées. La conclusion tirée de cette étude est qu'il existe une planète de 6,5 masses terrestres gravitant sur une orbite à 42 ua du Soleil, soit 42 fois la distance Soleil-Terre.

P. Lowell meurt en 1916 et aucune étude n'est organisée avant 1929. A cette date les nouveaux moyens permettent de faire une meilleure recherche. Des photographies sont prisent dans l'écliptique, mais cette fois-ci opposées au Soleil. Cela correspond à la vitesse la plus grande de l'astre recherché par rapport à la Terre.

Le 18 février 1930, Clyde Tombaugh, de l'observatoire Lowell, découvre un astre, près du lieu prévu par les calculs de P. Lowell. Cependant cet astre semble avoir des dimensions et un éclat trop faible, de plus son orbite est trop elliptique et trop incliné sur l'écliptique.

Pas vraiment:

• Les irrégularités orbitales d’Uranus et de Neptune n’existent pas.

• La masse de Pluton est trop petite pour affectée la trajectoire de ces deux planètes.

• La découverte de Pluton relève plutôt de la chance !

Walt Disney crée le personnage de Pluto (Pluton en anglais)