Les astronomes de la révolution scientifique rejetèrent les théories de longue date de penseurs anciens tels que Claude Ptolémée et Aristote et entreprirent d'observer systématiquement les cieux afin de créer un modèle de l'univers qui corresponde aux faits observables plutôt qu'à des théories préconçues.
Des astronomes comme Nicolas Copernic, Tycho Brahe, Galilée, Johannes Hevelius, Edmond Halley, Christiaan Huygens, Johannes Kepler et Isaac Newton étaient déterminés à utiliser l'observation, les instruments scientifiques et les mathématiques pour réconcilier la théorie, les phénomènes et les données et accroître notre connaissance du monde qui nous entoure.
Aristote et Ptolémée contre la méthode scientifique
L'astronomie intéressa de nombreux penseurs de l'Antiquité, mais deux visions de l'univers dominèrent et perdurèrent jusqu'au Moyen Âge. Il s'agit des modèles proposés par Aristote (384-322 av. J.-C.) et Ptolémée (c. 100 à 170 de notre ère). Selon le modèle d'Aristote, les planètes se déplaçaient de manière uniforme dans un milieu indéfini de sphères invisibles, toujours à des distances fixes de la Terre, le point central. Ptolémée considérait que les planètes se déplaçaient sur une petite orbite circulaire qui leur était propre (épicycle) tout en suivant une orbite plus large (déférent) autour d'un point central fixe, la Terre (équant). Les cercles parfaits reflétaient la perfection du Créateur, et la position de la Terre au centre de tout cela reflétait la croyance en l'importance de l'humanité. Ces modèles survécurent à l'Antiquité et eurent une emprise apparemment inébranlable sur l'esprit des astronomes médiévaux. Le problème, cependant, c'est qu'ils laissaient de nombreuses questions sans réponse. La révolution scientifique consista à remettre en question des croyances ancestrales, à les soumettre à l'épreuve de phénomènes observables et à exprimer ces résultats dans le nouveau langage international des mathématiques. Les résultats étaient ensuite partagés et examinés par des penseurs indépendants. Cette idée, ou quelque chose de similaire, avait été proposée pour la première fois par Francis Bacon (1561-1626).
Dans la nouvelle méthode scientifique, l'astronomie prit le pas sur tous les autres domaines. Les astronomes étaient à la recherche de nouvelles réponses, plus satisfaisantes, à des énigmes séculaires. Ils ne se contentèrent plus de "constater les phénomènes", c'est-à-dire de mesurer les mouvements célestes, mais commençèrent à utiliser leurs instruments scientifiques de précision pour défier les philosophes naturalistes. Les astronomes voulaient prouver leurs propres modèles de fonctionnement de l'univers.
Copernic montre la voie
L'astronome polonais Nicolas Copernic (1473-1543) connaissait les travaux d'Aristote et de Ptolémée, ainsi que ceux d'astronomes perses ultérieurs. Il était convaincu qu'aucun d'entre eux n'avait trouvé la bonne réponse pour expliquer les choses visibles dans le ciel. Copernic formula sa théorie (pas entièrement nouvelle) selon laquelle la Terre et les autres planètes tournaient autour du Soleil dans un système héliocentrique et non dans un système géocentrique ptoléméen. Copernic suggéra également que la Terre tournait sur son propre axe et qu'elle était en orbite autour du Soleil une fois par an. Il proposa également que des changements relativement faibles de l'angle de l'axe de la Terre au fil du temps expliquaient la précession des équinoxes, c'est-à-dire le déplacement progressif des constellations dans le ciel nocturne au fil du temps. Copernic nota que les planètes observables étaient dans l'ordre suivant à partir du Soleil: Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter et Saturne. Toutes ces idées radicales furent présentées dans Des révolutions des sphères célestes (1543).
Le modèle héliocentrique remit directement en question le modèle aristotélicien qui dominait la philosophie naturaliste. En outre, le modèle de Copernic allait à l'encontre de la vision traditionnelle de la place centrale de l'humanité dans l'univers, telle qu'elle était défendue par l'Église catholique. Pour l'Église, l'humanité était le centre, le point central de l'univers de Dieu. La théorie de Copernic mit du temps à trouver des partisans, mais dans le dernier quart du XVIe siècle, les astronomes entreprirent de déterminer si Copernic avait oui ou non raison. Il restait encore des choses à expliquer, comme la gravitation (traditionnellement expliquée par le fait que la Terre est au centre de l'univers). En 1616, le modèle de Copernic était plus largement connu et, en conséquence, son travail fut condamné comme hérétique par les autorités ecclésiastiques. Les Révolutions furent classées parmi les livres interdits. Cela n'empêcha pas les astronomes d'étudier le ciel; en effet, la plupart d'entre eux étaient chrétiens et n'étaient pas du tout intéressés par la remise en question de la doctrine chrétienne. Pour beaucoup, l'obtention de la vérité sur le fonctionnement de l'univers était complémentaire de la croyance en un Créateur divin.
Tycho et l'observation systématique
Le noble danois Tycho Brahe (1546-1601) était en quelque sorte un visionnaire en matière d'astronomie, puisqu'il construisit son propre observatoire. Nombre de ses prédécesseurs n'avaient observé que ce qu'ils avaient besoin d'observer pour étayer leur modèle théorique particulier de l'univers. Tycho, quant à lui, travailla à l'élaboration des tableaux de données sur la voûte céleste les plus précis qui aient jamais été compilés. Une fois cette tâche accomplie, il élabora une théorie qui correspondait le mieux aux faits. Tycho conçut ses propres instruments, dont le nouveau sextant astronomique et un quadrant mural géant.
Le roi Frédéric II de Danemark et de Norvège (r. de 1559 à 1588) offrit à Tycho l'île de Hven (Ven). Il y construisit son observatoire d'Uraniborg à partir de 1576, nommé en l'honneur d'Urania, la muse grecque de l'astronomie. Tycho avait déjà découvert une nouvelle étoile en 1572, une supernova dans la constellation de Cassiopée, ce qui suffit à convaincre Frédéric d'investir dans l'astronomie. Les cartes stellaires étant essentielles à la navigation des marchands et des marines, les souverains commencèrent à soutenir financièrement les astronomes.
Le dévouement de Tycho permit plusieurs découvertes, notamment l'orbite interplanétaire elliptique de trois comètes (1577, 1580 et 1585). Les observations de Tycho sur le Soleil prouvèrent l'inexactitude du calendrier julien, ce qui conduisit, en 1582, à la création du calendrier grégorien. Tycho acheva également un catalogue d'étoiles qui positionnait plus de 800 étoiles, le premier nouveau catalogue depuis Ptolémée. En 1603, le catalogue de Tycho fut transformé en atlas des étoiles par Johann Bayer (1572-1625).
Armé de toutes ces données accumulées au fil des décennies, Tycho élabora sa théorie sur le mouvement des planètes, publiée dans Des phenomenes les plus recents de l'univers (1588). Le système de Tycho était un compromis entre le modèle géocentrique de Ptolémée et l'alternative héliocentrique de Copernic. Tycho proposait que le Soleil et la Lune tournaient autour de la Terre tandis que les autres planètes tournaient autour du Soleil. Bien que cette théorie ait été erronée, les travaux de Tycho portèrent le coup de grâce au modèle de Ptolémée. Les travaux de Tycho sur la supernova changeante et les orbites elliptiques des comètes portèrent un coup similaire au modèle d'Aristote. De toute évidence, l'univers était loin d'être parfait et éternellement stable. Pour certains historiens, il s'agit là du véritable début de la révolution scientifique, lorsque les théories erronées furent remises en question par l'observation. La conviction de Tycho selon laquelle il fallait continuellement prendre des mesures pour améliorer la précision devint un principe fondateur de la science moderne, et c'est pourquoi beaucoup ont appelé Tycho "le véritable fondateur de la nouvelle astronomie" (Wootton, 456) et ont qualifié l'astronomie de première science moderne. Ce qu'il fallait ensuite, c'était un instrument de haute technologie, et c'est dans le télescope que les astronomes trouvèrent l'outil qui leur ouvrit des mondes entièrement nouveaux.
Le télescope de Galilée
Le télescope, une simple idée de lentille convexe et concave à chaque extrémité d'un tube, provoqua une véritable révolution dans l'astronomie. Il permit aux astronomes de voir des choses qu'aucun être humain n'avait jamais vues auparavant. Bien qu'il ait été inventé vers 1608, peut-être par Hans Lippershey (de 1570 à 1619 environ), un lunetier flamand, c'est l'astronome italien Galilée (1564-1642) qui perfectionna l'instrument. Le télescope de Galilée, son occhiale ("lunettes"), mesurait 60 cm de long et présentait un grossissement étonnant de x33.
Pour la première fois, la surface de la Lune put être observée et cartographiée. On s'aperçut que la Lune présentait des vallées et des montagnes, tout comme la Terre. Galilée repéra quatre satellites de Jupiter (preuve supplémentaire que tous les corps célestes ne tournent pas autour de la Terre ou du Soleil). Il étudia les phases de Vénus et prouva ainsi que la Terre ne pouvait pas être le centre de notre galaxie. Il observa les taches solaires du Soleil, ce qui suggère qu'il s'agit d'une sphère en rotation. Galilée publia ses observations dans Le messager des étoiles (1610). Il devint aussi célèbre que Christophe Colomb (1451-1506), auquel il fut souvent comparé en tant que découvreur d'un nouveau cosmos. La science, et l'astronomie en particulier, devint la nouvelle frontière de la connaissance humaine. Mais il y avait un prix à payer.
Les observations de Galilée l'amenèrent à soutenir publiquement le modèle de Copernic, ce qui lui valut une censure formelle de l'Église catholique en 1616. Galilée persista dans ses opinions qui réapparurent dans son Dialogue sur les deux principaux systèmes du monde (1632). C'en fut trop pour l'Église, et Galilée fut jugé pour hérésie en 1633. Reconnu coupable, Galilée dut cesser de promouvoir les théories pro-Copernic et il fut assigné à résidence à Florence jusqu'à la fin de sa vie.
Les contributions de Galilée sont impressionnantes, mais son plus grand héritage est peut-être d'avoir redéfini le rôle d'un astronome. Depuis des temps immémoriaux, les astronomes étaient des mathématiciens qui créaient méticuleusement des graphiques et des tableaux de données. Au contraire, Galilée déplaça le centre d'intérêt de l'astronomie vers l'observation directe et la découverte. En ce sens, "Galilée changea fondamentalement la notion d'astronomie" (Burns, 63). Pour atteindre ces objectifs, de meilleurs télescopes étaient nécessaires pour voir plus loin, car il restait un fait troublant. Galilée était convaincu que ce que nous pouvions voir à travers un télescope n'était qu'une galaxie et non l'univers tout entier. L'horizon de l'effort intellectuel humain s'était déplacé vers l'infini.
Kepler et les orbites elliptiques
Johannes Kepler (1571-1630) était le mathématicien officiel de Rodolphe II, empereur du Saint-Empire romain germanique (r. de 1576 à 1612) à Prague. Il hérita du poste de Tycho, dont les données permirent à Kepler de formuler ses célèbres trois lois du mouvement planétaire dans deux ouvrages: La nouvelle astronomie (1609) et Les harmonies du monde (1619). Il y démontre que le modèle d'univers de Copernic est le bon, mais avec la correction que les planètes se déplacent autour du Soleil sur des orbites elliptiques et non circulaires. Il observa également que la vitesse de chaque planète varie et que le Soleil est responsable de cette variation. Il fut le premier à utiliser le terme "satellite", qu'il appliqua aux quatre lunes de Jupiter. Croyant en une harmonie cosmique contrôlée par Dieu, Kepler fut le dernier grand astronome à pratiquer également l'astrologie. Kepler aida tous les astronomes en mettant au point un télescope à deux lentilles convexes qui permit d'obtenir une image plus claire et plus agrandie qu'auparavant. L'humanité disposait enfin d'un modèle précis de notre galaxie. Il était maintenant temps d'observer de plus près tout ce qui s'y passait.
Hevelius, maître de la précision
En 1641, l'astronome polonais Johannes Hevelius (1611-1687) créa un observatoire à Dantzig (Gdańsk), en finançant lui-même le projet. Il l'appela Stellaeburg, où il fut assisté de sa femme et de futurs talents comme Gottfried Kirsch (1639-1710). Hevelius fut surnommé le "lynx prussien" (Vertesi, 213) pour ses talents d'observateur et, comme Tycho, ses activités attirèrent les investissements des souverains, en l'occurrence des rois polonais et de Louis XIV (r. de 1643 à 1715), désireux d'améliorer les cartes de navigation de sa marine.
Hevelius fit plusieurs découvertes importantes avec son télescope de 150 pieds (46 mètres) de long. Il observa la première étoile variable - dont l'éclat varie avec le temps - qu'il nomma Mira. Il identifia quatre nouvelles comètes et observa les transits solaires de Mercure et de Vénus. Il découvrit que la Lune oscillait et réalisa une carte détaillée de sa surface, publiée dans Selenographia (1647). Pour mesurer le mouvement à long terme des corps célestes, Hevelius resta fidèle aux instruments non télescopiques, tels que son sextant et son quadrant. Et il fit preuve d'une remarquable précision. En 1679, lorsque l'astronome anglais Edmond Halley (1656-1742) visita Stellaeburg, il compara les données d'Hevelius avec ses propres relevés de télescope et découvrit qu'elles étaient remarquablement précises. L'œuvre de la vie d'Hevelius fut présentée dans Prodromus Astronomiae (1690), un catalogue illustré complet et un atlas céleste de plus de 1 564 étoiles.
Hevelius est un bon exemple de la façon dont l'astronomie internationale devint une entreprise collective. Il fut nommé membre de la Royal Society de Londres en 1664. Il correspondait également avec des astronomes de toute l'Europe. Il s'agissait là d'une caractéristique importante de la révolution scientifique, la conviction que les données pouvaient être rendues plus précises si elles étaient collectées par différents scientifiques en différents lieux et comparées ensuite, en particulier lorsqu'il s'agissait d'observer le même phénomène au même moment. Les données et les recherches étaient soumises à un examen indépendant. Les erreurs étaient identifiées puis corrigées, ce qui permit d'améliorer la précision des données.
Les découvertes se succèdent
Le Néerlandais Christiaan Huygens (1629-1695) fabriqua la première horloge à pendule fonctionnelle en 1657, ce qui permit d'accroître considérablement la précision de la mesure du temps (on perdait encore des secondes par jour, mais pas de minutes). Cette précision était importante pour les astronomes qui calculaient le mouvement des corps célestes. Huygens fut le premier à observer les anneaux de Saturne vers 1658 et à observer clairement Titan, l'une des lunes de la planète. En 1686, Huygens fabriqua un énorme télescope aérien, le plus grand du monde. Sans tube et en ne conservant que les lentilles, le télescope de Huygens avait une longueur focale de 210 pieds (67 m). Les idées de Huygens sur les télescopes aériens, qui augmentent considérablement le grossissement, furent publiées dans Astroscopia Compendiaria (1684). En outre, des télescopes miniatures furent ajoutés aux instruments de navigation existants, tels que le quadrant. Des micromètres furent ajoutés à ces lunettes pour prendre des mesures encore plus précises, en particulier des angles.
L'astronome italien Gian Domenico Cassini (alias Jean-Dominique Cassini, 1625-1712) dirigeait l'Observatoire de Paris, fondé en 1667. Il identifia les espaces dans les anneaux de Saturne, appelés aujourd'hui "division de Cassini", et calcula plus précisément que jamais la distance entre le Soleil et la Terre (87 millions de miles). De l'autre côté de la Manche, John Flamsteed (1646-1719) fonda l'Observatoire royal de Greenwich en 1675. Des observatoires utilisant des télescopes virent le jour dans des endroits improbables, comme le Royaume de Siam (Thaïlande) dans les années 1680 et Jaipur en Inde dans les années 1720. Dans le monde entier, de plus en plus de scientifiques observaient le ciel et le faisaient dans des observatoires parrainés par l'État.
Edmond Halley créa un observatoire sur l'île de Sainte-Hélène, dans l'Atlantique Sud, en 1677. Les entreprises privées s'intéressaient de plus en plus à l'astronomie et à l'amélioration des cartes de navigation; Halley fut en partie financé par la Compagnie des Indes orientales. Depuis Sainte-Hélène, Halley put créer une carte des étoiles de l'hémisphère sud, la première basée sur des observations faites à l'aide d'un télescope. Halley découvrit l'accélération de la Lune et nota le mouvement des étoiles les unes par rapport aux autres (mouvement propre). Plus notoirement, Halley identifia la comète de 1682 comme étant la même que celle qui était passée en 1607 et en 1531. En 1705, il prédit avec précision son retour en 1758. Halley fut invité à devenir membre de la prestigieuse Académie royale des sciences en France en 1729, illustrant ainsi l'internationalisation croissante de l'astronomie. Mais la plus grande contribution de Halley à l'astronomie fut peut-être d'avoir persuadé un collègue de publier ses remarquables découvertes, Isaac Newton (1642-1727).
Newton et la gravitation
Newton inventa le télescope à réflexion en 1668, un dispositif qui utilise un miroir incurvé pour améliorer la clarté de l'image observée et réduire la taille du télescope. Newton découvrit la gravitation, ce qui permit d'expliquer des phénomènes qui avaient intrigué tous les astronomes précédents: la rotation des planètes, l'entretien de leurs lunes satellites et leur déplacement à des vitesses différentes en fonction de leur distance par rapport au Soleil sont tous dus à cette force mystérieuse. Newton fusionna la philosophie mécanique et les mathématiques pour créer trois lois du mouvement dans Mathematical Principles of Natural Philosophy (1687):
1. un corps au repos ou en mouvement sur une trajectoire rectiligne tend à rester dans cet état,
2. le changement de mouvement d'un corps varie en fonction de la force exercée, et
3. chaque action a une réaction égale et opposée. (Burns, 218)
C'est là que se trouve également sa loi universelle de la gravitation, universelle parce qu'elle s'applique à tout ce qui se trouve sur Terre et dans l'espace:
Entre deux corps quelconques de l'univers, il existe une force directement proportionnelle au produit des masses des deux corps et inversement proportionnelle au carré de leur distance.(ibid, 245)
Ces lois permirent à Newton de prédire avec précision les effets de la gravitation. Il s'agissait d'une nouvelle science, même si certains étaient réticents à en voir la vérité, notamment les philosophes mécanistes qui ne pouvaient accepter qu'un corps physique puisse affecter un autre corps sans qu'il y ait un contact physique entre les deux. La gravité restait mystérieuse, car personne, pas même Newton, ne savait d'où elle venait, pourquoi elle existait et qui ou quoi assurait sa persistance. Il y avait encore de la place pour d'autres recherches et, plus important encore pour Newton, de la place pour Dieu dans sa nouvelle vision du cosmos. Les idées de Newton finirent par être adoptées par l'ensemble de la communauté scientifique, et un mouvement précis, connu sous le nom de newtonianisme, se développa pour défendre l'idée que la connaissance scientifique devait être présentée sous la forme d'une série de lois mathématiques. Le newtonianisme se répandit progressivement en Europe pour devenir l'approche dominante dans les universités et parmi les intellectuels. La science, dont l'astronomie était la discipline phare, se sépara finalement de la philosophie pour poursuivre sa propre voie: mesurer, interpréter et améliorer le monde dans lequel nous vivons.
Héritage
Les astronomes de la révolution scientifique transformèrent donc l'approche de leur domaine d'étude et firent une myriade de découvertes qui changèrent complètement notre vision de l'espace et de nous-mêmes. Ils n'ont pas été oubliés. L'un des plus grands cratères de la Lune porte le nom de Copernic. La supernova observée par Tycho porte désormais son nom. L'Agence spatiale européenne a fait atterrir un vaisseau sur Titan, la planète de Saturne, en 2005; il porte le nom de Huygens. Un satellite astronomique polonais mis en orbite en 2014 porte le nom d'Hevelius. Halley, bien sûr, voit sa comète passer tous les 75 ans environ, la prochaine devant être observée en 2061 pour rappeler que l'univers fonctionne à une échelle de temps qui dépasse l'entendement de l'humanité.
