Juillet/Août 2014 – L’ASTRONOMIE 63vol.128 | #74 | 63

INSTRUMENTS ET TECHNIQUES | Véronique Hauguel et Pierre Causeret | CLEA

Le mouvement apparent du cielLe nocturlabe a été conçu enobservant le mouvement appa-rent du ciel qui s'explique parles deux principaux mouve-ments de la Terre : le mouve-ment diurne et le mouvementannuel.

MOUVEMENT DIURNELa Terre tourne autour de l’axedes pôles, dans le sens direct(sens inverse des aiguilles d’unemontre) si on la regarde depuisle pôle Nord. Dans l'hémisphère

nord, au cours de la nuit, onpeut observer la voûte célestetourner dans le sens direct au-tour de l’étoile Polaire (fig.1). En première approximation : laTerre faisant un tour sur elle-même en 24 h, la voûte célestetourne de 15° en 1 heure (fig.2).

Le nocturlabe :� possède un cercle graduédans le sens direct en heures,appelé « cercle des heures ».� est centré sur l’étoile Polaire.� utilise des étoiles proches dela Polaire

MOUVEMENT ANNUELChaque jour, la Terre se déplacesur sa trajectoire autour du So-leil d’un angle de 1° environ

(360°/365,25). L’observateursur Terre voit le Soleil se dépla-cer du même angle sur la voûtecéleste. À une même heure,entre 2 jours consécutifs, lesétoiles se sont décalées depresque 1° – elles semblentprendre de l’avance autour del’axe des pôles dans le sens di-rect – et après 1 année elles seretrouvent à la même place.Chaque année, au même jour età la même heure, la positionTerre/Soleil/voûte céleste estidentique. La date, pour l’utilisa-tion du nocturlabe, ne dépenddonc pas de l’année.

Le nocturlabe possède :� un cercle gradué dans le sensdirect en douze mois, avec des

subdivisions en jours, appelé« cercle des jours », fixe et in-dépendant du « cercle desheures ».� une alidade pour repérer uneétoile. Celle-ci passe à la verti-cale de la Polaire (dans le planméridien nord-sud) à 0 heure,heure locale, un jour donné quiservira d’«origine ».

Choix des étoiles repèresL’instrument devant utiliserl’étoile Polaire, étoile trèsproche du centre de rotationde la voûte céleste, les étoilesrepères à viser devront être àproximité de la Polaire. Cesont, soit les « Gardes » de laGrande Ourse, Merak (β UMa)et Dubhe (α UMa), presque ali-gnées avec la Polaire, soit Ko-chab (β UMi) appelée aussi laClaire, étoile la plus brillantedes Gardes de la Petite Ourse.La Claire était le plus souventutilisée par les marins peut-être parce qu’il est plus facilede viser en même temps deuxétoiles proches ! (fig.3). Selonle choix des étoiles à viser,l’origine du « cercle des jours »sera différente.

La maquette que nous vous pro-posons utilise les Gardes de laGrande Ourse. Actuellement,Dubhe passe à la verticale de laPolaire à 0h (heure solaire lo-cale) le 8 septembre en dessouset le 9 mars au-dessus d’elle.1. Mouvement relatif Terre/voûte

céleste (pose photo d'une heure).L'étoile Polaire est au centre dumouvement apparent.

2. Petite Ourse et Grande Oursereprésentées le1erdécembre à 0 h (en jaune), 1 h (enorange) et 2 h (en rouge).

Le nocturlabe est l’équivalent nocturne du cadran solaire. Il permet dedéterminer l’heure solaire moyenne locale au cours de la nuit, en utilisant lemouvement apparent des étoiles tout comme un cadran solaire utilise lemouvement apparent du Soleil. Cet instrument ancien a été utilisé de la fin duXVesiècle jusqu’au XVIIIe, essentiellement par les navigateurs. L’historique de cetinstrument est présenté dans le document de la page 66.

Le nocturLabePour connaître L’heure LocaLe La nuit

3. Les Gardes de la Grande Ourse,Merak et Dubhe. sont alignéesavec la Polaire.

Merak

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INSTRUMENTS ET TECHNIQUES

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Description de la maquette du nocturlabe La figure 4 montre les trois par-ties du nocturlabe : � Un disque dont la couronneextérieure, le « cercle desjours», est divisée en 12 partiespour les douze mois du calen-drier actuel en tournant dans lesens direct. Chaque mois estsubdivisé en jours. Un mancheest fixé sur ce disque indiquantle bas de l’instrument.� Un disque mobile plus petit,concentrique et denté, le « cercledes heures », gradué dans le sensdirect de 0 à 24 heures, de 5 en5 minutes. Sur certain modèles,ce disque denté possédait unedent plus longue pour 0 h/24 hce qui permettait aux marins,semble-t-il, de lire l’heure la nuitsans lumière grâce au seul tou-cher ! Sur la maquette, la dentcorrespondant à 0 heure est re-pérée par une flèche. � Une alidade, dépassant dudisque fixe et tournant autourdu centre du nocturlabe qui esttroué pour permettre de faireune visée par cet orifice. Uncôté de l’alidade passe par lecentre des disques.

Construction 1. Procurez-vous une feuille A4de papier épais ou de carton(bristol, calendrier... de 0,4 à2mm d'épaisseur). Pour l'as-semblage, vous pourrez utiliserun gros rivet percé (type rivetpour bâche, percé au milieu caril faut pouvoir viser la Polairepar le trou du rivet) ou bien lefabriquer en carton en vous ai-dant du modèle ci-contre. 2. Photocopiez la page et collez-la sur votre feuille ou, mieux,imprimez-la sur du papier auto-collant.3. Découpez soigneusement lestrois pièces. Pour le trou central,prenez le diamètre de votre rivetpercé si vous en avez trouvé un,sinon, pour adapter le rivet encarton, découpez le petit cerclede 1 cm de diamètre .4. Assemblez les trois piècesavec le rivet sans trop serrer (ilfaut que les pièces puissenttourner mais qu'il n'y ait pastrop de jeu). Pour fabriquer lerivet en carton, suivez les indi-cations (photos ci-contre).

Mode d'emploi Amener la dent avec la flèche-repère 0 h/24 h sur la date et lamaintenir dans cette position.Viser l’étoile Polaire par le trouau centre du nocturlabe.Tendre le bras en maintenantbien le manche de l’instrumentdans la main. Les graduationsdoivent être dans le plan de

l'équateur donc perpendiculaireà la ligne de visée œil-Polaire etle manche doit être dans le plandu méridien, le plan verticalnord-sud. L’étoile Polaire étant toujoursen ligne de mire, et en mainte-nant fixe le disque des heures,tourner l’alidade pour marquerl’alignement du centre avec lesGardes, Dubhe et Merak. Lirel’heure sur le « cercle desheures » indiquée par l’alidade. La figure 4 est un exemple delecture : le nocturlabe est réglépour le 4 juin ; la lecture in-dique 22 h 30

De l'heure lue à l'heure de la montreavec quelle précision?Sur un cadran solaire, l’heure lueest l’heure solaire locale qui dé-pend de l’équation du temps.Mais sur le nocturlabe l’heure lue(HN) est l’heure solaire moyennecar le «cercle des jours» est gra-dué régulièrement donc les jourssont tous égaux.

Pour obtenir l’heure légale (HL),celle de la montre, il faut tenircompte de la longitude du lieu (L),et aussi du fait que l’on se trouveen été (+2 h) ou en hiver (+ 1 h) :HL= HN + L + (1h ou 2h) (L est algé-brique et s’exprime en h, m, s)

De nombreuses approximationsfont que la lecture de l’heureavec un nocturlabe manque deprécision :� la Polaire n’est pas exacte-ment située sur l’axe du monde;� l’étalonnage du cercle desjours de même que le position-nement du manche restent ap-proximatifs ;� on a assimilé la durée du jourà 24 heures or, plus précisé-ment, la Terre fait un tour surelle-même non pas en 24 hmais en 23 h 56 min 4,09 s si onse repère aux étoiles (c’est lejour sidéral, différent du joursolaire).

Autrefois, un navigateur habilepouvait réaliser une mesureavec une précision de l’ordre de15 minutes. �

4. Le nocturlabeen positiond’observation le 4 juin à 22h30.

nocturLabe à construire

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Cet instrument a été utilisé de la findu XVe siècle jusqu’au XVIIIe pourconnaître l’heure locale la nuitdans l’hémisphère nord grâce àl’observation de la position de cer-

taines étoiles. Le mouvement de rotationde la voûte céleste visible la nuit grâce auxastres lumineux que l’on voit tourner estconnu depuis plusieurs millénaires, maisl’instrument n’a pu exister que lorsque lecentre de rotation de la voûte céleste étaitmatérialisé par une étoile; ainsi l’utilisationde l’astrolabe remonte à quelques sièclesseulement (voir encart « La Polaire et lepôle nord céleste »)

Les prédécesseursDéjà vers 1000 avant notre ère, en Chine,un instrument en forme de couronne, le pi,localise le « pivot du ciel ». Comme l’écritHenri Michel : « Toute l’organisation socialedu pays [Chine] est reproduite au ciel. L’em-pereur est le correspondant du dieu Chang-Ti, dont la résidence est au Pôle céleste.[…].

La localisation du Pivot du Ciel est le point dedépart de tout cérémonial. »

En Europe, à partir du VIe siècle, la règle desBénédictins insiste sur l'heure de lever desmoines pour les offices nocturnes mais,sans horloges, comment pouvaient-ils s’yprendre pour la respecter ? Outre le cri ducoq, peu fiable, et l’observation de la trajec-toire des étoiles encore peu précise et im-possible par temps couvert, d’autresmoyens sont utilisés pour la mesure dutemps : horloges à eau, psaumes ou prièresscandés, combustion de bougies et plustard, sabliers. Dès le XIIe siècle, les horloges,associées aux cloches se développent maisdépendent toujours du Soleil pour être re-mises à l’heure très régulièrement1.À plusieurs reprises, on retrouve trace2 d’uninstrument, un tube appelé « horologium3

nocturnum» qui servait à observer le mou-vement de rotation du ciel.

Le pape Sylvestre II (�1003) plus connusous son nom, Gerbert d’Aurillac, a construitplusieurs instruments d’observation pour

l’enseignement. Un dessin (ci-dessus) duXIIe s. à la fin du manuscrit Sentaentia As-trolabii4 qui lui est attribué, montre ce tubeoptique. On peut voir autour du tube, undisque divisé en 24 secteurs avec 12 troussur 12 secteurs à travers lesquels on vise lacomputatrice5 qui donne l’heure de nuittout en visant au centre l’étoile polaire del’époque. Celle-ci serait une petite étoile6

de la constellation de la Girafe.Jusqu’au XIVe siècle, l'observation du mou-vement de rotation du ciel autour du pôlecéleste servait à des fins religieuses, à l’éta-blissement de dates du calendrier et de pro-nostics astrologiques.

Au service des navigateurs Au XVe siècle, la navigation prend son essor,principalement au Portugal qui cherche unpassage par la mer vers l’Asie en contour-nant l’Afrique. Très vite, il devient néces-saire d'améliorer l’art de naviguer et desinstruments voient le jour ou s’améliorentcomme l’astrolabe nautique7 ou l’arbales-trille. Pour les marins, il était vital deconnaître la latitude et l'heure la nuit. La la-titude est donnée par la hauteur du pôlenord céleste. Pour la trouver, on mesurait la

Contrairement à beaucoup d’instrumentsscientifiques anciens, il est difficile de dater et desavoir d’où vient le nocturlabe qui est aussi appelénocturnal ou encore cadran aux étoiles.

Le nocturLabeun instrument du passé

La Polaire et le pôle nord céleste. À l’époque des grandes découvertes, lesnavigateurs savaient que la Polaire, qui servait àfaire le point en mer, n’était pas sur l’axe derotation de la Terre mais s’en écartait de plusieursdegrés (3° à 4°). Du temps des Égyptiens, vers3000 avant notre ère, l’axe de rotation passait prèsde Thuban (αDra) de la constellation du Dragon. Sion observe le déplacement du point d’intersectionde l’axe de rotation et de la voûte céleste au coursde l’histoire, on voit que ce point n’est pas passéprès d’une étoile bien visible du ciel entre Thubanet α UMi de la Petite Ourse appelée la Polaire. Cedéplacement du pôle nord céleste sur la voûtecéleste est lié au mouvement de «toupie» de l’axede rotation (phénomène de précession deséquinoxes de période 26000 ans).

Dessin extrait de l’Astrolabe de R. d’Hollander.

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hauteur de l'étoile Polaire et on appliquaitune correction obtenue par l'observationd'autres étoiles. Il était aussi indispensabled'avoir l'heure la nuit. Connaissant l’heuredes marées, ils savaient alors s’il était dan-gereux de se rapprocher des côtes. Comme on le sait, Christophe Colomb aprèsavoir proposé ses services au Portugal pourtenter d’aller vers la Chine par l’ouest, estchargé par la reine d’Espagne, Isabelle, deréaliser ses projets. C’est un marin très ex-périmenté qui est au courant de toutes lesnouvelles découvertes en cartographie eten instruments.Pour connaître l’heure au cours de la nuit,il n’est pas encore question d’instrumentavec plusieurs disques et alidade maisl’idée est là. La méthode décrite est utiliséepar Christophe Colomb d’après le journal deson premier voyage. Imaginons dans le cielun homme, debout verticalement, les piedsjoints et les bras en croix (dessin page pré-cédente). Cet homme indique huit direc-tions, les quatre points cardinaux et leursintermédiaires à partir de l’étoile Polaireplacée sur son abdomen. Un des axes passepar la tête et les pieds (S-N), un deuxièmepar les bras (E-O), les troisième et qua-trième passant par les épaules et le bassinindiquent les directions SO-NE et SE-NO.Vers 1500, d’après certaines tables, Kochab(ou β UMi, dans la constellation de la PetiteOurse) passait à la verticale de la Polaire le15 avril à minuit, heure moyenne solaire,c'est-à-dire dans la direction de la tête. Troisheures plus tard, elle passait dans la direc-tion de l’épaule de l’ouest, au sud-ouest etainsi de suite. Si un navigateur connaissaitla position de Kochab, à minuit un jourdonné, il pouvait connaître alors l’heure demanière approximative en estimant la di-rection de l’axe Polaire-Kochab en s’aidantde son corps.C’est cette méthode qui est encore décritedans L’Art de naviguer de Pierre de Médine(1493?-1567?), marin espagnol, qui écrit en1545 : « Regardez à l’estoile du Nort,& ima-ginez sur elle une croix en cette sorte,… » etdécrit « un orloge du nort, par lequel on saitquelle heure il est de nuict, en quelquetemps ou lieu que l’homme se trouve. ».À partir de cette époque, lire l’heure à l’aidede la Polaire, avec ou sans instrument, faitpartie du savoir du pilote et la méthode estdécrite dans les traités de navigation.

Et enfin, le nocturlabeIl semble que le nom de nocturlabe pourl’horloge nocturne apparaisse pour la pre-mière fois dans le livre espagnol qui aconnu plusieurs éditions, Arte de navegarde Martín Cortés de Albacar (1551).Il est très difficile de savoir quel est le pre-mier ouvrage qui décrit le nocturlabe avecla roue des heures et l’alidade. L’instrument

évolue en fonction des pays, dans les traitésde navigation mais aussi dans les livres degnomonique (étude des cadrans solaires).En plus de l’ouvrage de Cortès, plusieurs li-vres dans les mêmes années traitent dusujet.

La paternité du nocturlabe a souvent été at-tribuée à Michel Coignet qui le décrit dansl’Instruction des points les plus excellents etnécessaires touchant l’art de naviguer (An-vers, 1581) livre qui se revendique commela continuation du livre de Médine pour lesnavigateurs.Les descriptions d’horloges nocturnes vontrester très diverses. Le nocturlabe évolueselon les pays.Le nocturlabe va être utilisé jusqu’à l’inven-tion des chronomètres de mer au milieu duXVIIIe siècle, c'est-à-dire pendant 3 siècles.Assez peu précis, il reste néanmoins plusfiable que tout autre instrument sur unelongue traversée en mer. Cette constancede description de cette horloge nocturnedans les ouvrages montre le grand intérêtdes marins pour cet instrument. �

1. Voir l’histoire de l’heure, Gerhard Dohrn-van Ros-sum, éditions de la Maison des sciences de l’homme,Paris2. Les instruments de l’astronomie ancienne, PhilippeDutarte, édition Vuibert, 2006.3. Ce mot signifie juste qu’il mesurait le temps, leterme d’horloge, au masculin, pour cadran solaire estencore utilisé au traité d’horlogiographie de Ste MarieMagdelaine, traité sur les cadrans solaires.4. MS 214, conservé à Chartres et détruit lors du bom-bardement en 1944. Le dessin est une copie.5. La computatrice, nom donné à cette étoile dans le

Ms 235 d’Avranches serait la Polaire actuelle, situé en1150 à 5°21’ du pôle nord céleste.6. En 1150, il n’y a pas d’étoile visible très près dupôle, dans la constellation de la Girafe, la premièreétoile avec une magnitude inférieure à 6 est à 5,30 à2° du pôle.7. Cet instrument est une partie du verso de l’astro-labe planisphérique.

Cet article est une adaptation de l’article paru dans lesCahiers Clairaut, 144, déc. 2013 par le même auteur.

Un nocturlabe en laiton au XVes. Cet instrument possède un « cercle des jours »près du centre du disque fixe découpé en 12secteurs avec les initiales des mois. À laverticale, les dates 12 février/14 août indiquentqu’il est utilisé avec les Gardes de la GrandeOurse. La roue des heures est sur la couronneextérieure sur un disque mobile ajouré. On peutvoir les petites dents pour les heures de 3 à 12 etde 1 à 9. Cette roue doit être réglée en mettant,la dent « 12 » en face de la date avec l’alidade.On y trouve de multiples fonctions : lacorrespondance entre le calendrier du zodiaqueet le calendrier julien, un quadrant de hauteur,un carré des ombres, le cycle solaire, le cyclelunaire et la représentation de l’âge de la Lunepar sa phase.

Dessin de nocturlabe extrait d’un ouvrage écritpar Michel Coignet (Anvers, 1581).