Planètes troublantes

Depuis 2014, les journaux ont titré à plusieurs reprises sur la possible découverte d’une neuvième planète (et même une «Super-Terre» !) dans le système solaire, très —très— loin au-delà de l’orbite de Neptune. Certes, pour tous ceux qui ont été à l’école avant les années 2000, cela sonne déjà un peu bizarrement, puisqu’on y apprenait que le système solaire comptait déjà 9 planètes, Pluton incluse. Mais quoiqu’il en soit, cette planète, bien que découverte… n’a toujours pas été observée ! Et forcément, elle est tellement loin qu’elle se confondra facilement avec une étoile vraiment minuscule.

Et tout cela n’est évidemment pas sans rappeler le plus bel exploit du XIXe siècle en mécanique céleste… mais aussi une grosse erreur du même auteur !

Le musicien des sphères

Remontons d’abord un peu plus loin: dans l’Antiquité, on connaît, en plus du Soleil et de la Lune, 5 astres errants: Mercure, Vénus, Mars, Jupiter et Saturne. D’abord parce qu’ils sont assez brillants, mais aussi parce que leur mouvement relatif par rapport aux étoiles fixes est suffisamment rapide [1]. Quand Galilée pointera pour la première fois une lunette vers le ciel, on s’apercevra aussi qu’une étoile apparaît toujours ponctuelle, alors que la taille apparente d’une planète augmente avec le grossissement de l’instrument… pratique pour distinguer un astre qui ne bouge pas beaucoup. En 1773, le germano-britannique William Herschel, vétéran de la guerre de 7 ans, joueur de hautbois, organiste professionnel et compositeur [2], se prend de passion pour la construction de télescopes. C’est donc presque en amateur qu’il a le privilège, en 1781, d’être le premier moderne à identifier une nouvelle planète: alors qu’il cherche à observer des étoiles doubles, il tombe par hasard sur un objet non ponctuel. S’il hésite d’abord à y voir une comète, on le confirmera ensuite comme étant la septième planète, Uranus [3].

Les années passent, et on a tout loisir d’étudier la trajectoire d’Uranus dans le ciel. Or la trajectoire théorique de la planète, on sait la calculer: il faut appliquer la loi de la gravitation universelle de Newton, et utiliser les calculs de Laplace pour les perturbations engendrées par les autres planètes. C’est ce que fait le Savoyard Alexis Bouvard en 1821. Et là, problème: ça ne colle pas. Uranus va tantôt plus vite, tantôt moins vite que la prédiction. Plusieurs possibilités:

  1. Des erreurs de mesure ou de calcul ? après vérifications, peu vraisemblable.
  2. La mécanique newtonienne n’est-elle plus vérifiée quand on s’éloigne trop du Soleil ? on préférerait ne pas en arriver là…
  3. Une autre planète perturbe-t-elle l’orbite d’Uranus ? et pourquoi pas… plusieurs astronomes décident de faire le test.

L’astre au bout de la plume


La tâche est ardue, parce qu’il y a beaucoup d’inconnues: on ne connaît ni la masse de la planète manquante, ni les caractéristiques de son orbite (le demi-grand axe de l’ellipse, son excentricité, et son inclinaison sur l’écliptique). Sans compter que l’orbite d’Uranus elle-même n’est pas encore parfaitement connue… Et naturellement tous les calculs doivent être faits à la main ! À Cambridge, c’est un étudiant, John Couch Adams, qui tente sa chance. En octobre 1845 il transmet ses calculs à l’astronome royal, George Airy, qui lui demande quelques éclaircissements. Mais Adams ne répond pas à sa lettre…

Presque au même moment, le directeur de l’Observatoire de Paris, François Arago, charge le jeune astronome Urbain Le Verrier de déterminer la position de l’éventuel astre troublant [l’orbite d’Uranus]. Ce dernier publie le compte-rendu de son calcul à l’Académie le 31 août 1846. Malheureusement Arago ne dispose ni des instruments ni des cartes adéquates pour vérifier la prédiction. Le Verrier communique donc son résultat à plusieurs observatoires en Europe. Le 18 septembre, il envoie une lettre à son collègue Johann Galle, à Berlin. Celui-ci se met immédiatement au travail, utilisant les toutes dernières cartes célestes levées par Carl Bremiker, qui couvrent justement la région prévue. Le soir du 23 septembre, Heinrich d’Arrest, l’assistant de Galle, s’écrit: «Cette étoile n’est pas sur la carte !»

Même si Le Verrier sous-estimera ensuite légèrement l’erreur qu’il a commise, Neptune a été trouvée à environ 1° de sa position prédite (soit deux diamètres de Pleine Lune). Et étonnamment, cette très bonne précision cache des erreurs beaucoup plus importantes en amont: Le Verrier avait considéré une planète de 36 masses terrestres (alors qu’elle n’en fait que 17 !) et une distance au Soleil de 36 u.a. [4] (au lieu de 30).

Le fait qu’Adams ait fait le calcul avant le Français, même s’il était moins précis et qu’il ne l’a pas publié, donnera lieu à quelques chicanes franco-britanniques, tout comme la dénomination de la nouvelle planète (que Le Verrier aurait sans doute apprécié de voir baptisée à son nom !). Mais à défaut d’inscrire son nom dans le ciel, il le grave dans l’histoire de l’astronomie: il a découvert une planète par la seule force du calcul [5].

Les exploits sont-ils reproductibles ?

1859: Le Verrier est maintenant directeur de l’Observatoire. Même s’il a passé un certain temps à s’occuper de météorologie et de géodésie, il s’intéresse toujours à la mécanique céleste. Et une nouvelle fois il va mener un calcul impressionnant, en prédisant la vitesse à laquelle le périhélie de Mercure devrait avancer (sous l’effet de l’attraction des autres planètes) : environ 8 minutes d’arc par siècle (ce qui ne fait pas beaucoup). Sauf que… nouveau problème ! En compilant toutes les observations de Mercure depuis 1697, il trouve que son périhélie avance plus vite que prévu par son calcul ! Oh, pas beaucoup: 7% trop vite.  Mais Le Verrier a confiance dans les mesures… alors pourquoi son calcul est-il faux ? Se pourrait-il que plusieurs petits astéroïdes, ou même une autre planète, se trouvent entre Mercure et le Soleil ?

En décembre, le médecin Lescarbault, astronome amateur dans la Beauce, écrit à Le Verrier qu’il a vu passer une tâche sombre devant le Soleil. Et là, bien que Lescarbault n’ait tenu aucun registre précis de ses observations, et malgré l’absence de confirmation, le directeur de l’Observatoire abandonne toute prudence: dès le 2 janvier 1960, il annonce en fanfare à l’Académie la découverte de Vulcain, une nouvelle planète orbitant en 33 jours autour du Soleil.

Las ! Aucune observation confirmée ne viendra jamais, ni pendant les transits prévus, ni pendant les éclipses de Soleil. C’est sans doute une banale tâche solaire qu’avait vu le médecin. Et plusieurs de ses adversaires (comme Delaunay et Flammarion) ne manqueront pas de moquer le péché d’orgueil de Le Verrier. Cependant, si Vulcain n’existe pas, ses calculs sur l’orbite de Mercure, eux, étaient bien valables… et ils vont quand même fournir l’argument d’une révolution en physique ! Car cette fois-ci, c’est une autre hypothèse, plus gênante, qu’il fallait se résoudre à retenir: de fait, la mécanique de Newton ne marche pas si bien que ça… et il faudra donc attendre la relativité générale, en 1915, pour qu’Einstein puisse enfin prédire correctement l’avance du périhélie de Mercure. Comme souvent, l’erreur aura été fructueuse.

Encore un polisseur autodidacte

Un dernier mot sur Pluton, même si elle a depuis été déclassée en planète naine: sa découverte a été elle aussi le fruit des calculs d’anomalies de l’orbite d’Uranus. Et de l’obstination de Percival Lowell, grand promoteur des chimériques canaux martiens, bâtisseur de l’observatoire de Flagstaff en Arizona, et chercheur infatigable de la «planète X». Mais Lowell meurt avant de l’avoir trouvée. Son successeur embauche comme assistant le jeune Clyde Tombaugh, lui aussi amateur et constructeur autodidacte de télescopes. Et c’est lui qui, avant même de commencer ses études en astronomie, finira par découvrir l’éphémère neuvième planète. Et depuis, de nombreuses comètes ont elles aussi été repérés par des astronomes amateurs: continuez à regarder le ciel ! [6]


Aller plus loin

  • Pour commencer, la biographie du grand astronome, mais administrateur tyrannique, Le Verrier: savant magnifique et détesté, de James Lequeux, chez EDP Sciences.
  • Sur la sous-estimation de son erreur par Le Verrier, l’article Neptune: l’erreur de Le Verrier, par J. Gapaillard, dans Pour la Science de mai 2015.
  • Une très belle exposition virtuelle de l’Observatoire de Paris-Meudon sur la découverte de Neptune, avec la reproduction de nombreux documents originaux.
  • Et, parce que l’histoire des sciences s’écrit aussi au présent et au futur, une interview de Jacques Laskar et le point sur la (peut-être) neuvième planète, qui aurait une période de révolution de 10 à 20 000 ans, et serait 10 fois plus massive que la Terre. Comme pour Neptune, on a déduit ces propriétés des anomalies d’orbite de quelques objets transneptuniens, et de Saturne.
  • Planète ou pas, la surface de Pluton a réservé bien des surprises, et de magnifiques images, à la mission New Horizons l’an dernier.

[1] Tellement rapide, pour Mercure et Vénus, que cela nécessite quand même de réaliser que l’astre qu’on observe le matin est le même que celui qu’on observait le soir quelques mois plus tôt. A posteriori, on a pu déterminer que Hipparque et Ptolémée avaient sans doute déjà repéré et cartographié Uranus, mais en la prenant pour une étoile fixe… comme plusieurs astronomes encore jusqu’au XVIIIe siècle.
[2] Auteur entre autres de pas moins de 24 symphonies, dont certaines sont encore jouées. 

[3] Latinisation du dieu grec Ouranos, père de Saturne, comme ce dernier était père de Jupiter. 
[4] Unité Astronomique, soit la distance moyenne Terre-Soleil: environ 150 millions de km.
[5] Notons que c’était un coup de chance, pour toute la communauté des astronomes, que Neptune ne soit pas trop éloignée d’Uranus au moment de la découverte de celle-ci: les deux planètes auraient pu être en opposition pendant des décennies, et les perturbations orbitales d’Uranus seraient restées invisibles.Récompense obtenue, chose peu courante, pour ses travaux sur la matière molle: les polymères, les colloïdes, les cristaux liquides.
[6] Pour la neuvième planète par contre, il y a peu de chances que ça marche avec un petite télescope de balcon: non seulement sa position est pour l’heure très très incertaine, mais sa magnitude prévue est autour de 23-24. Mais on peut quand même participer à dépouiller les images !

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Une réflexion sur “Planètes troublantes

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