L’héliocentrisme, cette théorie fumeuse…

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Selon un sondage récent, un quart des Américains ignore encore que la Terre tourne autour du Soleil! Il est décidément difficile d’admettre que nous ne sommes ne sommes pas au centre de l’Univers, quasiment cinq cents après la révolution copernicienne. L’histoire populaire veut que ce soit à cause de ce genre de préjugés que le modèle héliocentrique de Copernic mit du temps à s’imposer aux scientifiques (sans parler de l’Eglise). Un très bon article de Pour La Science revient ce mois-ci sur cet épisode historique. Contrairement à l’image d’Epinal, les « géocentristes » de l’époque comme Tycho Brahe étaient loin d’être des pseudo-scientifiques bornés et prisonniers de leurs convictions religieuses. Au contraire! Dans le débat qui les opposaient aux coperniciens, ils s’appuyaient sur des arguments beaucoup plus rigoureux que leurs adversaires et leurs objections n’avaient rien de métaphysique…

Pourquoi changer un système qui marche?

Dans le modèle géocentrique, la Terre est immobile et ce sont les planètes qui tournent autour. Comment expliquer dans ce modèle que les planètes semblent faire des aller-retours sur leur trajectoire au fil des mois? Les astronomes grecs avaient imaginé une astucieuse combinaison de mouvements circulaires: chaque planète se déplace sur un petit cercle (appelé épicycle), dont le centre orbite lui-même sur un cercle (appelé déférent) centré sur la Terre:

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Pour améliorer la précision du modèle, Ptolémée supposait -sans le justifier- que les grandes orbites étaient centrées sur un point situé quelque part entre la Terre et la Lune. Et oui, déjà à l’époque la Terre n’était plus exactement au centre de l’Univers! Mais tout le monde s’en fichait parce que le modèle était suffisant pour les besoins d’une astronomie à l’oeil nu et il prédisait correctement les éclipses des planètes.

Le modèle de Ptolémée, dont le centre est légèrement décentré par rapport à la Terre (source Wikipedia)

Le système héliocentrique de Copernic. On remarque que les étoiles sont situées juste derrière Sature. Source Wikipedia

Le système proposé par Copernic présentait pourtant plusieurs avantages. D’abord il permettait de comprendre pourquoi les planètes situées sur les orbites les plus éloignées ont des cycles plus longs. Il expliquait aussi pourquoi Vénus et Mercure restent toujours très proches du soleil. En revanche le système copernicien restait compliqué du fait que Copernic n’avait pas renoncé aux orbites circulaires et était obligé de recourir au même système d’épicyles que Ptolémée pour expliquer le mouvement rétrograde des planètes. Surtout il n’apportait pas pas beaucoup plus de précision que le modèle de Ptolémée. Pourquoi irait-on changer un système qui marche?

L’introuvable parallaxe

L’astronome danois Tycho Brahe fut séduit par l’élégance du modèle de Copernic et il tenta d’en valider la pertinence. Si la Terre tournait autour du soleil et non l’inverse, alors la position relative des étoiles devrait changer au fil des saisons, un phénomène qu’on appelle la parallaxe des étoiles:
Or on avait beau scruter les étoiles, il n’observait rien de tel. L’absence de parallaxe signifiait donc que vue de l’étoile, l’orbite de la Terre autour du soleil était comme un point. Et cette conclusion permettait à Brahe d’estimer que la plus proche étoile était à au moins 7000 fois la distance Terre-Soleil!

Pour ceux qui veulent le détail: Brahe considérait que deux points sont indiscernables à l’oeil nu s’ils sont à moins d’une minute angulaire l’un de l’autre. Par définition le rayon de l’orbite terrestre autour du soleil vaut une unité astronomique (UA). Si on en déduit que l’étoile se situe au moins à une distance D= 2 U.A/1min = 6900 UA de la Terre.

Aujourd’hui cette estimation n’est pas choquante et on sait qu’elle est même très en dessous de la réalité (la plus proche étoile, Alfa du Centaure, se trouve à environ 260 000 unités astronomiques). Mais à l’époque on était persuadé que les étoiles étaient situées juste derrière Saturne, qui était lui-même à seulement neuf fois la distance Terre-Soleil (regardez sur son schéma).

L’immense vide copernicien entre les planètes et les étoiles s’accordait mal avec la vision harmonieuse qu’on se faisait du cosmos. Mais surtout il posait un autre problème. De taille, celui-là.

Un problème de taille

Le diamètre apparent des étoiles se mesure grossièrement à l’œil nu. Brahe estimait qu’il variait entre 0,3 et deux minutes de degré. Et comme on vient d’estimer leur éloignement minimal (D), on peut en déduire leur diamètre d:

Dans le système géocentrique, les étoiles sont situés à une douzaine d’UA de la Terre ce qui correspond pour les plus grosses à un diamètre d’environ 80% celui du soleil. Une taille tout à fait raisonnable. Dans le système héliocentrique au contraire, les étoiles étant 600 fois plus éloignées, la moindre étoile mesure des centaines de fois la taille du soleil. Un résultat délirant!

Source: article de M Graney

A cette objection tout à fait rationnelle, les partisans de Copernic (rares à l’époque de Tycho Brahe) rétorquaient par des considérations métaphysiques. Le gigantisme des étoiles révélé par la théorie héliocentrique révélait pour eux la toute puissance divine. « L’étendue de l’Univers et la taille des étoiles peuvent être aussi grandes que vous voulez, cela sera toujours peu de choses pour le Créateur infini » écrivit par exemple Christoph Rothman en réponse à Brahe.

Pour se sortir de cette contradiction, Tycho Brahe inventa un modèle hybride, à mi-chemin entre celui de Ptolémée et celui de Copernic, où le soleil, la lune et les étoiles tournaient bien autour de la Terre, mais dans lequel toutes les autres planètes tournaient autour du soleil. Son système conciliait ainsi les avantages du modèle de Copernic tout en conservant aux étoiles une taille et une distance raisonnable.

Le système hybride de Tycho Brahe, avec la Terre au centre et les planètes orbitant autour du soleil. Source Wikipedia

Le télescope, un argument à charge contre les Coperniciens

On lit souvent que l’usage du télescope par Galilée mit un point final à la controverse. C’est l’inverse qui se produisit: les premières mesures faites au télescope par l’Italien Giovanni Riccioli en 1651 ne décelèrent aucune parallaxe dans la position des étoiles, confortant ainsi l’objection de Tycho Brahe concernant leur éloignement et surtout leur taille.

On sait aujourd’hui que cette parallaxe des étoiles se mesure en dixièmes de secondes angulaires et il fallut attendre 1838 pour que la technologie permette de l’observer directement. Les étoiles sont effectivement très très éloignées du système solaire. Et pourtant elles ne sont pas (toujours) gigantesques. Où est l’erreur de Brahe?

A peu près à la même époque où Riccioli faisait ses mesures au télescope, des astronomes se rendirent compte que les étoiles « s’éteignent » brusquement lorsque la lune passe devant elles. Si elles avaient eu la taille apparente de leur disque de lumière, elles auraient dû s’éclipser progressivement et non pas tout d’un coup. La même observation fut faite indépendamment dans différents endroits et certains émirent l’hypothèse que les étoiles étaient peut-être plus petites qu’on ne le pensait. Mais il fallut attendre le XIXeme siècle pour que l’on comprenne que contrairement aux planètes et au soleil, le disque de lumière qui entoure les étoiles ne reflète pas leur taille. Il s’agit en réalité d’un effet d’optique lié à la diffraction de la lumière sur les bords de notre pupille! Et la mise en évidence de la force de Coriolis grâce au pendule de Foucault  acheva en 1851 de convaincre les derniers géocentristes (encore que certains dingues n’admettent toujours pas que la Terre tourne sur elle-même).