Comprendre les mouvements des constellations au fil des heures de la nuit et des mois de l'année

par Carine Souplet

C’est un constat : l’aspect du ciel étoilé évolue d’heure en heure, mais aussi en fonction du moment de l’année où on l’observe. Ces changements qui peuvent être déconcertants pour le néophyte obéissent à des cycles et sont donc prévisibles, permettant aux observateurs plus aguerris de retrouver avec bonheur leurs constellations préférées à chaque nouvelle saison. Explications.

Au fil de la nuit

La Terre effectue un tour complet sur son axe en un jour, de l’ouest vers l’est. Cette rotation est la cause du mouvement apparent du ciel en sens inverse : ainsi, les étoiles, la Lune, les planètes mais aussi le Soleil se lèvent vers l’est et traversent le ciel jusqu’à leur coucher en direction de l’ouest. Ce mouvement apparent est analogue à celui que le passager d’un manège en fonctionnement observe en regardant vers l’extérieur.

schéma mouvement diurne rotation Terre
La ronde des étoiles est semblable au paysage qui défile lorsqu’on se trouve sur un manège
illustration: C. Souplet, ©Stelvision
schéma rotation Grande Ourse autour de la Polaire
Observer la Grande Ourse à 6 heures d’intervalle permet de constater que le ciel a « tourné » d’un quart de tour autour de l’étoile Polaire.
illustration: C. Souplet, ©Stelvision

L’étoile Polaire matérialise la direction vers laquelle pointe l’axe de rotation de la Terre dans le ciel de l'hémisphère nord.

En observant les constellations proches de cet astre, qui ont la particularité de ne jamais passer derrière l’horizon (ce sont des constellations circumpolaires), on visualise bien ce mouvement inverse des aiguilles d’une montre.

Si l’on surveille par exemple au cours d’une nuit la position de la Grande Ourse, elle aura bougé d’un quart de tour après que six heures se soient écoulées (un quart de 24 heures).

Au fil de l’année

Notre planète effectue également une révolution complète autour du Soleil en une année. C’est lorsque nous sommes du côté non éclairé de la Terre que nous pouvons voir les étoiles dans le ciel. Or ce côté nocturne voit son orientation par rapport aux étoiles évoluer au fur et à mesure que la Terre avance sur son orbite. C’est la raison pour laquelle les étoiles visibles changent au fil des semaines, et que les constellations ne sont pas les mêmes suivant les saisons.

Mais à quelle vitesse le ciel évolue-t-il ? Si l’observateur relève chaque mois l’heure à laquelle une étoile remarquable se retrouve au même endroit dans le ciel, il constatera que cela se produit deux heures plus tôt à chaque nouvelle observation.

En effet, en un mois, la Terre a parcouru un douzième de son orbite et le côté nuit s’est décalé d’un douzième de tour. Ramené à l’échelle de 24 heures, un douzième correspond à deux heures, ce qui correspond bien au décalage constaté par l’observateur. Sur une durée de trois mois, le passage de cette étoile remarquable sera donc avancé de six heures, et sur douze mois, de 24 heures, soit un horaire identique à la toute première observation.

schéma évolution du ciel étoilé selon les saisons
Parce que le côté nocturne de la Terre est orienté différemment selon la saison, les constellations que nous observons ne sont pas les mêmes.
illustration: C. Souplet, ©Stelvision

C’est ce décalage continu qui entraîne le renouvellement des étoiles au fil du temps à l’échelle globale du ciel, avec une périodicité d’une année. Et de soir en soir, cela signifie aussi que le même ciel revient avec quatre minutes d’avance.

schéma jour solaire jour sidéral
L’observateur situé en position 1 (Soleil au zénith) doit attendre 23h 56min 4s pour que la Terre ait effectué un tour complet par rapport aux étoiles : il est alors en position 2. Mais comme la Terre a avancé sur son orbite, il doit patienter environ 4 minutes de plus pour retrouver le Soleil au zénith (position 3).
illustration: C. Souplet, ©Stelvision

Il y a jour… et jour

Pourquoi ce décalage de quatre minutes chaque jour ? On l’a vu, a Terre tourne sur elle-même en un jour, dont on sait que la durée est de 24 heures, comme l’indiquent nos montres et horloges. Mais en pratique, c’est un peu plus compliqué, car tout dépend quel est le repère utilisé pour considérer que le tour est complet.

Si ce repère est le Soleil, alors le jour fait bien 24 heures (enfin, à peu près… voir l’encadré « Pour aller plus loin »). On parle de jour solaire. Mais si on choisit les étoiles comme référence, on parle alors de jour sidéral qui dure cette fois 23h 56min 4s. Cet écart d’environ quatre minutes trouve son origine dans le fait que nos repères sont situés à des distances bien différentes. Ainsi, pour faire un tour complet par rapport aux étoiles situées à l’infini, l’observateur regarde toujours dans la même direction. Mais lorsqu’il se repère par rapport au Soleil, relativement proche et autour duquel la Terre tourne, il faut effectuer une petite fraction de tour supplémentaire chaque jour, et cela prend environ 4 minutes (voir schéma).

Alors, quel ciel ce soir ?

Au final, la rotation de la Terre sur elle-même et sa révolution autour du Soleil ont les conséquences concrètes suivantes pour l’observateur :

  • chaque soir, le ciel se présente dans la même configuration que celui de la veille, mais avec quatre minutes d’avance ;
  • on peut observer la configuration du ciel du mois suivant, simplement en patientant deux heures (par exemple, le ciel du 1er mai à 23h est le même que le ciel du 1er juin à 21h) ;
  • sur le même principe, le ciel de la saison suivante est observable au cours de la même nuit, si l’on patiente six heures (par exemple, le ciel d’été est visible à la fin d’une nuit de printemps).

La carte céleste tournante est un outil pédagogique qui retranscrit ces mouvements et leurs conséquences de façon très simple. Elle est constituée d’une carte circulaire tournant autour d’un rivet situé à la place de l’étoile Polaire, qui combine le mouvement de rotation de la Terre et la révolution de notre planète autour du Soleil, et d’un cache masquant les constellations situées au-dessous de l’horizon. En faisant correspondre une date d’observation de la graduation située sur la carte circulaire avec une des heures indiquées au bord du masque, on obtient très simplement la représentation du ciel à cette date et cette heure. Une fois le réglage effectué, un simple examen de la correspondance des graduations permet aussi de constater les concordances énumérées ci-dessus.

Lorsque vous avez un tel outil en main, amusez-vous à multiplier les réglages et à regarder les correspondances : vous verrez ainsi qu’il est par exemple possible d’observer quelques merveilles du ciel du ciel d’hiver peu avant l’aube à la fin du mois d’août !

couverture carte du ciel Stelvision 365
La carte du ciel Stelvision 365 reproduit les mouvements apparents du ciel étoilé grâce à un disque rotatif. Utile pour repérer les étoiles et constellations, cet outil permet aussi de comprendre leurs déplacements au fil des heures et des saisons.

Pour aller plus loin : la durée exacte du jour solaire

Le jour solaire regroupe deux notions : le jour solaire moyen et le jour solaire vrai. Le premier dure 24 heures (le temps de nos montres) mais comme son nom l’indique, il n’est que la moyenne annuelle du jour solaire vrai, qui lui a une durée variable dans une amplitude de quelques dizaines de secondes.

Cette variabilité est liée à la vitesse changeante de la Terre qui circule sur une orbite elliptique autour du Soleil, combinée au fait que l’axe de rotation de notre planète n’est pas perpendiculaire au plan de cette orbite, ce qui entraîne des projections d’angle changeantes pour la mesure. Ainsi, les jours solaires les plus courts sont en septembre (23h 59min 40s) et les plus longs sont en décembre (24h 0min 30s). De plus, ces durées se cumulant de jour en jour, l’écart du temps solaire vrai peut atteindre une quinzaine de minutes en avance ou en retard par rapport au temps solaire moyen. Ces variations sont retranscrites par l’équation du temps (voir figure), qui permet de connaître la différence entre le temps solaire moyen (ligne rouge) et le temps solaire vrai (courbe jaune) à une date donnée. Si la valeur est positive, par exemple + 5min, le temps vrai est en retard sur le temps moyen : ainsi, le Soleil passe réellement au sud à 12h 05min à la montre au lieu de 12h. Si la valeur est négative (exemple : - 4min), alors le temps vrai est en avance et le Soleil passe au sud à 11h 56min à la montre. Fort heureusement, l’utilisation du temps solaire moyen nous affranchit de ces variations, dont nous ne nous rendons même pas compte dans notre quotidien.

schéma équation du temps
Evolution de l'équation du temps au cours de l'année.
photo easyScope

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