2. L'astronome
Ayant étudié l'astronomie, William Herschel se passionne pour la construction des télescopes par la lecture des ouvrages d'optique de Bonaventura Francesco Cavalieri (1598-1647). Il entreprend la construction de télescopes de plus en plus performants, polissant lui-même les miroirs jusqu'à leur donner une courbure parfaite. Il est récompensé de ses efforts en effectuant de nombreuses et remarquables découvertes. Le 13 mars 1781, observant avec un télescope de 7 pouces (16 centimètres) d'ouverture muni d'un oculaire grossissant 227 fois un petit groupe d'étoiles dans la constellation des Gémeaux, il note que l'une d'elles a un aspect insolite : elle se présente sous la forme d'un disque circulaire et semble se déplacer par rapport à ses voisines. Croyant d'abord avoir affaire à une comète, Herschel communique ses observations à la Royal Society le 26 avril. Il se rend cependant vite compte que l'astre incriminé est une nouvelle planète. Située à une distance moyenne de 2 milliards 875 millions de kilomètres, effectuant sa révolution autour du Soleil en 84 ans, elle est d'abord baptisée Georgium Sidus (« Astre de George »), en l'honneur du roi George III, puis sera nommée Uranus, sur la proposition de Johann Elert Bode.
L'impact de cette découverte est considérable, car après des siècles d'une astronomie planétaire figée à huit composantes – six planètes auxquelles s'ajoutent le Soleil et la Lune – et sur laquelle reposait toute la conception du cosmos, le système solaire s'accroît subitement, grâce à cette nouvelle planète située à 18 fois la distance de la Terre au Soleil. Après la découverte d'Uranus, Herschel est élevé à la dignité d'Astronomer Royal par le roi George III, et cesse progressivement ses activités musicales, afin de se consacrer pleinement à l'astronomie. Herschel poursuit ses observations, aidé de sa sœur Caroline (1750-1848), et découvre les deux plus gros satellites d'Uranus, Titania et Obéron (1787), les calottes polaires de Mars, ainsi que deux nouveaux satellites de Saturne, Encelade et Mimas (28 août et 17 septembre 1789). Cependant, son intérêt majeur concerne la structure de la Galaxie et de l'Univers accessible, étudiée à l'aide de télescopes qu'il ne cesse de perfectionner. Par un comptage des étoiles environnantes, il parvient à montrer que le système solaire se déplace vers un point de la constellation d'Hercule, l'apex, et que la Galaxie est un disque d'étoiles plat, formé de bras, le Soleil se trouvant à proximité de l'un d'eux. Il met également en évidence le fait que les étoiles binaires sont en révolution autour d'un centre de gravité commun.
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