Il n’est pas exagéré de dire que la révolution copernicienne a fondamentalement changé notre façon de penser à notre place dans l’univers. Dans l’Antiquité, les gens croyaient que la Terre était le centre du système solaire et de l’univers, alors que maintenant nous savons que nous sommes sur une seule des nombreuses planètes en orbite autour du soleil.

Mais ce changement de point de vue ne s’est pas produit du jour au lendemain. Il a plutôt fallu près d’un siècle de nouvelles théories et d’observations minutieuses, souvent à l’aide de mathématiques simples et d’instruments rudimentaires, pour révéler notre véritable position dans les cieux.

Nous pouvons avoir un aperçu de la façon dont ce profond changement s’est déroulé en examinant les notes réelles laissées par les astronomes qui y ont contribué. Ces notes nous donnent un indice sur le travail, les intuitions et le génie qui ont conduit la révolution copernicienne.

Etoiles errantes

Imaginez que vous êtes un astronome de l’Antiquité, explorant le ciel nocturne sans l’aide d’un télescope. Au début, les planètes ne se distinguent pas vraiment des étoiles. Elles sont un peu plus brillantes que la plupart des étoiles et scintillent moins, mais sinon elles ressemblent à des étoiles.

Dans l’Antiquité, ce qui distinguait vraiment les planètes des étoiles était leur mouvement dans le ciel. De nuit en nuit, les planètes se déplaçaient progressivement par rapport aux étoiles. D’ailleurs « planète » est dérivé du grec ancien pour « étoile errante ».

Le mouvement de Mars sur plusieurs semaines.

Et le mouvement planétaire n’est pas simple. Les planètes semblent accélérer et ralentir lorsqu’elles traversent le ciel. Les planètes inversent même temporairement leur direction, présentant un « mouvement rétrograde ». Comment expliquer cela ?

Les épicycles de Ptolémée

Une page d’une copie arabe de l’Almageste de Ptolémée, illustrant le modèle ptoléméen d’une planète se déplaçant autour de la Terre. Bibliothèque nationale du Qatar

Les astronomes grecs anciens ont produit des modèles géocentriques (centrés sur la Terre) du système solaire, qui ont atteint leur apogée avec le travail de Ptolémée. Ce modèle, tiré d’une copie arabe de l’Almageste de Ptolémée, est illustré ci-dessus.

Ptolémée expliquait le mouvement planétaire par la superposition de deux mouvements circulaires, un grand cercle « déférent » combiné à un plus petit cercle « épicycle ».

De plus, le déférent de chaque planète pouvait être décalé par rapport à la position de la Terre et le mouvement régulier (angulaire) autour du déférent pouvait être défini en utilisant une position connue sous le nom d’équant, plutôt que la position de la Terre ou le centre du déférent. Compris ?

C’est plutôt complexe. Mais, à son crédit, le modèle de Ptolémée prédisait les positions des planètes dans le ciel nocturne avec une précision de quelques degrés (parfois mieux). Et il est ainsi devenu le principal moyen d’expliquer le mouvement des planètes pendant plus d’un millénaire.

Le virage de Copernic

La révolution copernicienne a placé le soleil au centre de notre système solaire. Bibliothèque du Congrès

En 1543, l’année de sa mort, Nicolaus Copernic a commencé sa révolution éponyme avec la publication de De revolutionibus orbium coelestium (Sur les révolutions des sphères célestes). Le modèle de Copernic pour le système solaire est héliocentrique, les planètes tournant autour du soleil plutôt que de la Terre.

Peut-être que la pièce la plus élégante du modèle copernicien est son explication naturelle du mouvement apparent changeant des planètes. Le mouvement rétrograde de planètes telles que Mars n’est qu’une illusion, causée par la Terre qui « dépasse » Mars alors qu’elles tournent toutes deux autour du soleil.

Bagage ptolémaïque

Le modèle copernicien original présente des similitudes avec les modèles ptolémaïques, notamment les mouvements circulaires et les épicycles. Library of the Congress

Malheureusement, le modèle copernicien original était chargé le bagage ptolémaïque. Les planètes coperniciennes voyageaient encore dans le système solaire en utilisant des mouvements décrits par la superposition de mouvements circulaires. Copernic se débarrassa de l’équant, qu’il méprisait, mais le remplaça par l’épicyclet, mathématiquement équivalent.

L’astronome-historien Owen Gingerich et ses collègues ont calculé les coordonnées planétaires à l’aide des modèles ptolémaïque et copernicien de l’époque, et ont constaté que les deux présentaient des erreurs comparables. Dans certains cas, la position de Mars présente une erreur de 2 degrés ou plus (bien plus importante que le diamètre de la lune). De plus, le modèle copernicien original n’était pas plus simple que le modèle ptolémaïque antérieur.

Comme les astronomes du XVIe siècle n’avaient pas accès aux télescopes, à la physique newtonienne et aux statistiques, il n’était pas évident pour eux que le modèle copernicien était supérieur au modèle ptolémaïque, même s’il plaçait correctement le soleil au centre du système solaire.

Après Galilée

Les observations télescopiques des planètes par Galilée, notamment les phases de Vénus, ont démontré que les planètes voyagent autour du Soleil. NASA

À partir de 1609, Galilée a utilisé le télescope récemment inventé pour observer le soleil, la lune et les planètes. Il a vu les montagnes et les cratères de la lune, et a révélé pour la première fois que les planètes étaient des mondes à part entière. Galilée a également fourni de solides preuves observationnelles que les planètes tournent autour du soleil.

Les observations de Vénus par Galilée étaient particulièrement convaincantes. Dans les modèles ptolémaïques, Vénus reste entre la Terre et le soleil à tout moment, de sorte que nous devrions principalement voir le côté nocturne de Vénus. Mais Galilée a pu observer le côté diurne de Vénus, ce qui indique que Vénus peut se trouver du côté opposé du soleil par rapport à la Terre.

La guerre de Kepler avec Mars

Johannes Kepler a triangulé la position de Mars en utilisant des observations de Mars lorsqu’elle revenait à la même position dans son orbite. Université de Sydney

Les mouvements circulaires des modèles ptolémaïques et coperniciens entraînaient de grandes erreurs, notamment pour Mars, dont la position prédite pouvait être erronée de plusieurs degrés. Johannes Kepler a consacré des années de sa vie à comprendre le mouvement de Mars, et il a résolu ce problème avec une arme des plus ingénieuses.

Les planètes répètent (approximativement) la même trajectoire lorsqu’elles tournent autour du soleil, elles reviennent donc à la même position dans l’espace une fois par période orbitale. Par exemple, Mars revient à la même position sur son orbite tous les 687 jours.

Comme Kepler connaissait les dates auxquelles une planète se trouvait à la même position dans l’espace, il pouvait utiliser les différentes positions de la Terre le long de sa propre orbite pour trianguler les positions des planètes, comme illustré ci-dessus. Kepler, en utilisant les observations prétélescopiques de l’astronome Tycho Brahe, a pu tracer les trajectoires elliptiques des planètes en orbite autour du soleil.

Cela a permis à Kepler de formuler ses trois lois du mouvement planétaire et de prédire les positions des planètes avec une précision bien supérieure à ce qui était possible auparavant. Il a ainsi jeté les bases de la physique newtonienne de la fin du 17e siècle, et de la remarquable science qui a suivi.

Kepler lui-même a saisi la nouvelle vision du monde et sa signification plus large dans l’Astronomia nova (Nouvelle Astronomie) de 1609 :

Pour moi, cependant, la vérité est plus pieuse encore, et (avec tout le respect dû aux docteurs de l’Église) je prouve philosophiquement non seulement que la terre est ronde, non seulement qu’elle est habitée tout autour aux antipodes, non seulement qu’elle est méprisablement petite, mais aussi qu’elle est emportée parmi les étoiles.