Après plusieurs siècles persuadé que la Terre est au centre de l’Univers, l’Homme considère plus sérieusement la théorie de l’héliocentrisme. À partir du XVIe siècle, Copernic, Kepler et Galilée en sont les fervents défenseurs.

Vue d'artiste du cosmos. L'image est au format paysage rectangle mais en entier elle représente des cercles concentriques entiers avec le Soleil au centre, les planètes autour, puis diverses étoiles lointaines et enfin un autre cercle de galaxies reliées à des filaments qui partent de tout autour du dessin.
Vue d’artiste du cosmos (2019). Crédit : Pablo Carlos Budassi

Copernic, la clairvoyance héliocentrique

Pendant les siècles qui suivent l’Antiquité grecque, la croyance générale est à la vision du monde selon l’astronome grec Ptolémée. La Terre est immobile et au centre de l’Univers : c’est un système dit géocentrique. Quelques visionnaires, comme Héraclide ou Aristarque de Samos, émettent des hypothèses selon lesquelles certaines planètes tourneraient autour du Soleil, la Terre serait en mouvement ou notre Univers de nature héliocentrique, c’est-à-dire avec notre étoile au centre…

Mais il faudra attendre le XVIe siècle, et notamment l’arrivée de Nicolas Copernic, pour que ces idées émergent. L’astronome polonais réalise rapidement la nécessité d’abandonner le modèle d’Univers de Ptolémée. Dès le début des années 1510, il rédige un court traité connu sous le titre de Commentariolus qui expose un système où le Soleil est au centre, incluant la Terre et toutes les planètes connues à l’époque.

Dessin en couleur du modèle d'Univers selon Copernic. On y voit le Soleil au centre avec la Terre en quatre points différents autour de celui-ci, éclairée différemment ce qui illustre le cycle des saisons.
Modèle d’Univers selon Copernic (1660).
Crédit : Christoph Cellarius/Harmonia Macroscomica

Toutefois, pendant plus de trente ans, Copernic conserve sa théorie secrète. Une décision sage, puisque l’héliocentrisme fait l’objet de plusieurs interdits religieux chez les protestants et dans l’Église catholique. Mais la principale raison pour laquelle l’astronome garde pour lui ses idées est probablement l’incohérence scientifique de plusieurs données.

Copernic se heurte par exemple aux inexactitudes induites par son hypothèse de base, selon laquelle les planètes auraient un mouvement circulaire et uniforme. En réalité, nous savons aujourd’hui qu’elles se déplacent sur des orbites elliptiques. Hélas, ce “détail” empêche les calculs de Copernic d’aboutir proprement.

Première page et page montrant les orbites circulaires des planètes autour du Soleil dans le livre De Revolutionibus de Copernic. Le papier est jauni et les écritures imprimées en latin.
Deux pages du livre De Revolutionibus de Copernic. Crédit : Leibniz Institute for Astrophysics Postdam (AIP)

L’astronome polonais affine sa théorie et tente de pallier les incohérences de ses calculs tout au long de sa vie. C’est l’année de sa mort, en 1543, que l’ouvrage de référence De Revolutionibus Orbium Coelestium est imprimé pour la première fois. Le De Revolutionibus est divisé en six livres et conçu sur le modèle de l’Almageste de Ptolémée. Extrêmement technique, ce livre est le premier de l’Histoire à exposer une théorie complète de l’héliocentrisme. L’ouvrage reflète l’ensemble des recherches de Copernic sur le calcul des positions des planètes et la comparaison avec l’observation du ciel.

Kepler et les orbites elliptiques

Johannes Kepler est formé par l’astronome et mathématicien Michael Maestlin, fervent admirateur du système héliocentrique, ce qui fait de lui un copernicien enthousiaste. Dans son premier livre Mysterium Cosmographicum en 1596, Kepler expose cette conviction mais la publication lui attire les foudres de l’Église.

Statues de Tycho Brahe et Kepler, sous le Soleil par beau temps, sur leur piédestal à Prague.
Monument en l’honneur de Tycho Brahe et Kepler à Prague.
Crédit : Pmk58/CC BY-SA 4.0

Kepler se réfugie à Prague, où il devient l’assistant de Tycho Brahe. Ce savant est connu pour ses observations révolutionnaires du ciel, au moins dix fois plus justes que toutes celles réalisées par ses prédécesseurs européens, grâce à la mise au point méticuleuse d’instruments de haute précision.

Dessin d'un instrument de Tycho Brahe : comme un globe creux, la sphère armillaire est représenté en vert, rouge et doré.
Sphère armillaire de Tycho Brahe pour mesurer
la position des astres. Crédit : Libre de droits

À sa mort, Tycho Brahe laisse ses travaux à Kepler et notamment la tâche de calculer l’orbite de Mars, qui à l’époque résiste à tout tentative de modélisation. Johannes Kepler met six ans à relever le défi. Or, il parvient non seulement à décrire l’orbite de la planète rouge, mais également à extraire de ses travaux deux lois générales sur les trajectoires des planètes du Système solaire. Publiées en 1609 dans l’ouvrage Astronomia Nova, elles s’énoncent encore aujourd’hui de la manière suivante :

  • Loi des orbites : les planètes décrivent des trajectoires elliptiques dont le Soleil est un foyer ;
  • Loi des aires : le mouvement de chaque planète est tel que le segment de droite reliant le Soleil et la planète balaie des aires égales pendant des durées égales.

Concernant la première, à noter que tout comme un cercle possède un centre, une ellipse possède deux foyers. En outre, l’énoncé de la deuxième loi signifie concrètement que la planète accélère légèrement à l’approche du périhélie, c’est-à-dire du point de son orbite le plus proche du Soleil.

Schéma explicatif de la loi des aires où l'on voit une ellipse dont le foyer de gauche est le Soleil. Divers traits partent de ce foyer et se baladent sur l'ellipse pour illustrer l'aire constante.
Schéma explicatif de la loi des aires. Crédit : R. Jissé/Sommeil Paradoxal

Enfin, en 1618, Kepler énonce une troisième loi fondamentale pour la description du mouvement des planètes :

  • Loi des périodes : pour toutes les planètes, le rapport entre le cube du demi grand axe de la trajectoire et le carré de la période est le même ; cette constante est indépendante de la masse de la planète et des trois lois qui régissent son mouvement.
Portrait de Johannes Kepler. Crédit :
Libre de droits/Peintre inconnu

Cette troisième loi permet, avec très peu de données d’entrée, de calculer les caractéristiques de la trajectoire des planètes du Système solaire. À noter qu’en support de ses travaux, Kepler travaille beaucoup sur l’optique. Il est d’ailleurs le premier à expliquer les principes fondamentaux de l’optique moderne. Nature de la lumière, miroirs, lentilles, réfraction… rien ne lui échappe et l’astronome aborde même le sujet de la vision et la perception des images par l’œil.

L’audace de Galilée

Enfin, impossible de parler d’héliocentrisme sans mentionner Galilée. Contemporain de Kepler, le mathématicien, géomètre, physicien et astronome italien est d’abord connu pour l’invention de la lunette astronomique. Il apprend en 1609 l’existence d’un appareil hollandais qui grossit les objets observés environ sept fois. Ainsi, il s’en inspire pour élaborer sa première lunette.

Améliorée grâce à l’utilisation des principes élémentaires d’optique, elle grossit de manière linéaire jusqu’à trente fois et Galilée envisage de l’utiliser pour observer… les étoiles, et plus particulièrement les astres invisibles à l’œil nu. La lunette d’approche devient alors lunette astronomique et le physicien Galilée se transforme en astronome.

Lunette de Galilée reconstituée, de couleur rouge avec des décorations dorées, elle est représentée en photo avec en fond flou le Duomo de Florence.
Reproduction d’une lunette de Galilée pour le 400e anniversaire de l’instrument en 2009. Crédit : Jim Sugar

Toutefois, contrairement à Kepler, Galilée ne maîtrise pas la théorie de l’optique et reconnait lui-même que sur plus de 60 lunettes construites de manière empirique, quelques-unes seulement sont utilisables. Montées sur des tubes de bois ou de carton, les lentilles de Galilée permettent pour la première fois à l’Homme d’étudier les objets célestes en détail.

Au cours de l’année 1610, Galilée multiplie les trouvailles. Il découvre les quatre satellites de Jupiter Io, Europe, Ganymède et Callisto, appelés encore aujourd’hui lunes galiléennes. À noter que c’est Kepler, dans un ouvrage de 1611, qui emploie pour la première fois le mot “satellite” pour désigner ces quatre petits astres. Galilée est le premier à observer et étudier les taches solaires et les anneaux de Saturne. L’astronome italien étudie également les phases de la Lune et remarque que notre satellite n’est pas une sphère régulière, mais parsemée de montagnes et de cratères…

Croquis de la Lune par Galilée, sans doute dessiné au crayon gris ou noir sur fond blanc. On y voit la Lune éclairée de moitié par un rayonnement solaire provenant de la droite de l'image. Plusieurs cratères sont représentés.
Croquis de la Lune par Galilée (1610). Crédit : Libre de droits

Le savant regroupe toutes ses observations fin 1610 dans Sidereus nuncius, un ouvrage qui confirme la théorie de l’héliocentrisme. Mais l’Église catholique, toujours formellement opposée à cette idée, déclare l’héliocentrisme hérétique en 1616, interdit les livres y faisant référence et défend à Galilée d’enseigner cette théorie.

L’astronome se plie à ces dictats pendant plusieurs années, mais en 1632, s’attire des ennuis avec la publication du Dialogue sur les deux grands systèmes du monde. L’ouvrage est une discussion entre trois personnes : la première favorable au système héliocentrique de Copernic, la deuxième au système géocentrique de Ptolémée et la troisième sans opinion préalable. Bien que rédigé à la demande de son ami de longue date le pape Urbain VIII, Galilée laisse clairement entendre dans le livre sa préférence pour la théorie héliocentrique.

Peinture représentant le procès de Galilée : on y voit l'astronome habillé de collants gris et d'une cape marron, plaidant sa cause devant un religieux en habit route et surveillé par un garde. Les jurés sont attablés en arrière-plan.
Le procès de Galilée. Crédit : Joseph Nicolas Fleury

Un procès historique est alors intenté à Galilée en 1633. Il est condamné à l’assignation à résidence. Surveillé continuellement, il continue à travailler sur ses recherches dans la discrétion jusqu’à sa mort neuf ans plus tard. Heureusement, en raison de ses liens étroits avec le pape Urbain VIII, la probabilité d’une condamnation au bûcher était très faible !

Pour mitiger le propos, on peut souligner que l’Église a basé le procès de Galilée et sa condamnation sur la référence du géocentrisme, prôné par la majorité des astronomes de l’époque. Il faudra attendre de nouvelles preuves théoriques et expérimentales apportées par de grands noms de l’astronomie moderne pour que l’héliocentrisme soit enfin reconnu.

Vue d'artiste du Système solaire avec le Soleil en gros au centre en couleur rouge orangé, et les autres planètes autour avec leurs orbites tracées en bleu. Vue de dessus.
Vue d’artiste des orbites héliocentriques dans le Système solaire.
Crédit : Harman /Smith Laura Generosa/Nasa/JPL

Dans notre prochain dossier consacré à l’astronomie moderne, nous aborderons également la question du Soleil au centre… du Système solaire ou bien de l’Univers tout entier ? Une idée émise dès 1584 par le moine Giordano Bruno, qui ne sera discutée sérieusement qu’avec l’avènement de la cosmologie contemporaine.