OBSERVATION ASTRONOMIQUE

L 'astronome est celui qui observe les astres. Autrefois à l'œil nu, aujourd'hui en s'aidant d'instruments de plus en plus élaborés ; à tel point que, bien souvent, l'observation est devenue un processus automatisé où l'intervention humaine se réduit à la préparation de l'observation et à l'extraction de l'information pertinente à partir de résultats fournis automatiquement.

Le ciel n'est pas vide. Cela rassure ou inquiète, intrigue, suscite la curiosité. Nul télescope spatial ne nous ôtera le plaisir de contempler la nuit étoilée. Mais il y a déjà bien longtemps que, au-delà de la contemplation, les hommes cherchent à comprendre, et à expliquer, les mouvements et la nature des astres. Ils se sont faits astronomes et, plus tard, astrophysiciens, quand ils ont découverts que des lois physiques universelles s'appliquaient au ciel comme sur la Terre.

L' astronomie de l'Antiquité était surtout soucieuse des mouvements des astres : il s'agissait de les observer, de les consigner, de les prédire et de les expliquer. Cela ne pouvait s'accomplir sans émettre des hypothèses sur la nature du monde, sans en bâtir des modèles. Univers fini, Terre au centre, mouvements sphériques ou circulaires constituaient les règles auxquelles se pliaient les premiers modèles du monde. Jusqu'à la Renaissance, environ, les objets célestes n'étaient observables qu'à l'œil nu ; ils étaient donc moins abondants qu'aujourd'hui : quelques milliers d'étoiles, sept planètes (y compris la Lune et le Soleil, alors catalogués comme telles), quelques imprévisibles comètes et d'encore plus rares « étoiles nouvelles », que nous appelons aujourd'hui supernovae. Les instruments d'observation n'étaient pas de nature optique, mais de simples aides au repérage et au calcul : des quadrants permettaient de déterminer le plus précisément possible les positions des astres sur le ciel. Au xvi^e siècle, Tycho Brahe a construit ce qui s'est fait de mieux en matière d'instrument dépourvu d'optique.

La révolution optique

L'observation astronomique a pris un cours différent quand Galilée (avec quelques-uns de ses contemporains) a braqué une lunette – alors qualifiée d'astronomique – sur le ciel en 1609. Constituée d'un assemblage de lentilles, la lunette fait converger sur l'oculaire les rayons lumineux émis par l'astre observé. L'effet est double : l'image est agrandie, ce qui permet d'observer davantage de détails ; mais, surtout, une part plus grande de la lumière émise est envoyée sur la rétine, permettant de voir des astres trop peu lumineux pour être décelables à l'œil nu. La lunette permet ainsi l'observation d'objets nouveaux, jusqu'alors inconnus : étoiles peu lumineuses, nébuleuses, satellites de Jupiter.... Elle permet aussi de discerner des détails inédits sur les objets connus : montagnes et « mers » sur la Lune, phases de Vénus...

L'astronomie prend un nouveau tournant, d'autant que c'est à cette époque que les astronomes comprennent que les astres relèvent de lois physiques universelles, les mêmes que celles qui règnent sur Terre. On peut donc s'interroger et trouver les réponses à propos de leur composition et des processus qui s'y déroulent : c'est la naissance de l'astrophysique.

La lunette (refracting telescope – « télescope à réfraction » – pour les anglophones) est perfectionnée. Le télescope (à réflexion) est inventé par Isaac Newton en 1668 ; il concentre la lumière sur l'oculaire non plus grâce à une lentille mais grâce à un miroir. Des instruments de plus en plus grands sont construits. Leur sensibilité croissante dévoile des astres de moins en moins lumineux, sans autre limite que la dimension de la lentille ou du miroir. Le pouvoir de résolution augmente également, et donne accès à des détails de plus en plus fins. Il ne dépasse pas néanmoins certaines limites (en anglais, le seeing) imposées par l'agitation de l'air atmosphérique et qui varient avec le site d'implantation du télescope (météorologie, vent, lumières parasites, pollution...).

Au xix^e siècle, la panoplie des astres s'est considérablement enrichie. À côté d'un très grand nombre d'étoiles, les astronomes observent aussi des nébuleuses, qui émettent une lumière plus diffuse. Dans le système solaire, ils découvrent de nouvelles planètes – Uranus et Neptune –, des satellites, des astéroïdes. Mais les astronomes du xix^e siècle sont loin de connaître la nature de tous ces objets célestes, et encore moins les processus qui s'y déroulent. Par exemple, ils imaginent les autres planètes très semblables à la Terre ; ils ignorent l'origine de l'énergie qui fait briller les étoiles.

L' invention de la photographie amène un progrès considérable. Notre rétine n'enregistre les photons que pendant une durée limitée, le temps de persistance rétinienne, qui avoisine 1/25^e de seconde. La photographie permet d'accumuler la lumière pendant des durées (temps de pose) beaucoup plus longues, et d'améliorer ainsi la sensibilité : les astronomes photographient des astres que l'œil ne verra jamais directement, même avec un télescope. Moins spectaculaire peut-être, l'introduction de la spectroscopie n'en permet pas moins des progrès considérables. Un prisme (ou, aujourd'hui, un réseau) décompose la lumière reçue d'un astre. Les astrophysiciens en déduisent la nature de l'astre et identifient les processus physiques qui s'y déroulent. Ils confirment ainsi que tous les astres sont composés des mêmes éléments que la Terre, et obéissent aux mêmes lois physiques. En même temps (par l'effet Doppler-Fizeau), la spectroscopie donne accès à la vitesse (du moins à sa composante en direction de l'observateur) d'un astre, étoile ou nébuleuse. C'est ce qui permettra par exemple de découvrir l'expansion de l'Univers.

À la charnière des xix^e et xx^e siècles, les développements techniques permettent un progrès considérable des observations. Ils sont accompagnés de progrès non moins importants des théories physiques : lois de l'électromagnétisme au xix^e, théories de la relativité au début du xx^e, et bientôt la physique quantique. Il en résulte un renouveau complet de la vision du monde, dès la première moitié du xx^e. Grâce aux physiques atomique et nucléaire, on comprend pourquoi et comment brillent les étoiles. Edwin Powell Hubble montre en 1924 que les « nébuleuses » spirales sont en fait des galaxies analogues à la nôtre, qui rassemblent des centaines de milliards d'étoiles. On observe l'arrangement de ces étoiles et de ces galaxies.