Comment l'art ancien de la prévision des éclipses est devenu une science exacte | Magazine Quanta

Les éclipses solaires ont été interprétées tout au long de l’histoire comme une mauvaise nouvelle pour le souverain – un signe inquiétant pour sa santé personnelle ou celle du royaume. Mais ces craintes ont contribué à alimenter des milliers d’années d’érudition. Ce progrès a commencé en Mésopotamie avec une recherche de modèles périodiques dans les données historiques. Cela a culminé dans une époque dans laquelle nous connaissons les futurs mouvements interdépendants des corps du système solaire des siècles à l’avance, transformant ce qui était autrefois une cause d’angoisse à l’échelle cosmique en une question d’horlogerie froide.

S’il fallait choisir un tournant, ce serait peut-être le matin du 22 avril 1715, lorsqu’une éclipse solaire a surplombé Londres. Le mathématicien britannique Edmond Halley, mieux connu comme l'homonyme de la comète de Halley, l'avait prédit. Il avait publié un journal contenant une carte du trajet que l'ombre de la lune tracerait sur l'Angleterre. Cette année-là, l’Angleterre avait un roi fraîchement couronné et une rébellion se préparait déjà contre lui ; en démystifiant l’éclipse par une prédiction, Halley espérait neutraliser son pouvoir de présage.

Il souhaitait également recruter des collecteurs de données dont les observations pourraient conduire à des prévisions d’éclipses encore meilleures à l’avenir. « Les curieux sont invités à l'observer, et en particulier la durée de l'obscurité totale », annonça-t-il, « … car ainsi la situation et les dimensions de l'Ombre seront bien déterminées ; et grâce à cela, nous pouvons être en mesure de prédire des apparitions similaires pour [le] futur, avec un plus grand degré de certitude que ce que l'on peut prétendre actuellement.

Des présages qui gardent le rythme

Des décennies plus tôt, Halley, un fervent lecteur de textes anciens, avait redécouvert et popularisé un cycle céleste utile pour réfléchir aux éclipses et à la position de la lune dans le ciel : 6,585 18 jours, soit un peu plus de XNUMX ans. Il a appelé ce cycle le « Saros », ce que les historiens modernes considèrent comme une mauvaise traduction d'un symbole sumérien qui signifiait à l'origine quelque chose comme « univers » ou « grand nombre ».

Vers 600 avant notre ère en Mésopotamie, des prêtres mathématiciens assyriens et babyloniens avaient parcouru les dates des éclipses passées enregistrées sur des tablettes d'argile, dans l'espoir de développer des stratégies pour déduire quand la prochaine éclipse pourrait avoir lieu. Les éclipses inquiétaient les rois de ces cultures, et bientôt, avec l'invention du zodiaque et des horoscopes personnels, la nécessité de garder un œil sur les positions du soleil, de la lune et des planètes allait concerner tout le monde.

Les premières solutions étaient des règles empiriques. Les éclipses lunaires se succèdent souvent au bout de six mois par exemple. Les Babyloniens se rendirent également compte que des éclipses solaires et lunaires spécifiques étaient souvent séparées d'un événement similaire par ce que Halley appelait un Saros.

Pour comprendre ce cycle en termes modernes, imaginez la géométrie des corps célestes au moment d’une éclipse solaire, lorsque la lune se trouve directement entre le soleil et la Terre et que les trois corps forment une ligne nette. Pour que cela se produise, la lune doit être une nouvelle lune. Il doit également se trouver à un point où sa propre orbite inclinée autour de la Terre plonge à travers le plan dans lequel la Terre parcourt sa propre orbite autour du soleil.

Imaginez maintenant avancer l’horloge pour trouver un moment où ces mêmes conditions se reproduiront. Nous devons concilier plusieurs cycles lunaires qui se chevauchent mais inégaux. Premier cycle : Il faut environ 29.5306 jours pour passer d’une nouvelle lune à la suivante. Deuxième cycle : il faut environ 27.2122 jours à la Lune pour passer d'un passage dans le plan de l'orbite terrestre au même passage lors du tour suivant. Troisième cycle : comme l'orbite elliptique de la Lune la rapproche et l'éloigne de la Terre, la Lune fait également osciller sa taille et sa vitesse apparentes dans le ciel au-dessus de la Terre, un cycle qui dure environ 27.5546 jours.

Le Saros n'est donc qu'un joli intervalle rond pendant lequel tous ces cycles se répètent un nombre entier de fois : 223 passages à travers la nouvelle lune sont presque exactement égaux à 242 tours d'entrée et de sortie de l'écliptique, ce qui est à son tour presque exactement égal à 239 tours d'écliptique. à XNUMX oscillations dans la taille apparente de la lune. Si vous avez vu une éclipse solaire ou lunaire, attendez juste un Saros, et le même arrangement géométrique approximatif des corps célestes se répétera.

Cependant, l’orbite de la Lune est en réalité plus compliquée que ces seuls paramètres. Quoi qu’il en soit, ce schéma ne vous indique pas où sur Terre l’éclipse résultante sera visible.

Halley et au-delà

Au moment où Halley a entendu parler du Saros et l'a ressuscité pour son propre usage, plusieurs siècles d'efforts multiculturels avaient encore affiné le problème des éclipses, comme l'a décrit l'historienne des mathématiques Clemency Montelle dans le livre de 2011. Poursuivre des ombres. Les Babyloniens ont finalement dépassé les règles empiriques simples comme « attendez un Saros » pour adopter des schémas numériques plus complexes qui calculaient les futures coordonnées de la lune dans le ciel. Les Grecs de l’Antiquité ont fusionné leurs propres idées géométriques sur le cosmos avec des calculs numériques de style babylonien. S’appuyant sur cette synthèse, des astronomes du monde islamique tels qu’al-Khwarizmi, l’homonyme du mot « algorithme » au IXe siècle, ont extrait des fonctions trigonométriques et des nombres décimaux (venant d’Inde) qu’ils ont griffonnés sur le nouveau support papier ( de Chine) pour développer des méthodes prédictives encore plus avancées, qui trouvent désormais un écho dans toute l'Europe également.

Mais Halley avait quelque chose d’encore plus récent avec lequel jouer. À peu près au même moment où il repêchait les Saros de l'Antiquité, il finança également la publication des idées de son ami Isaac Newton sur la gravitation, que Newton appliqua ensuite à la compréhension de l'orbite de la Lune. En 1715, alors que la première éclipse solaire depuis plusieurs siècles approchait de Londres, la carte prédictive de Halley était un mélange de modes de pensée anciens et modernes.

La grande étape suivante a eu lieu en 1824, lorsque l'astronome allemand Friedrich Bessel a étendu l'approche newtonienne de la réflexion sur les éclipses en utilisant les lois de la gravité. Il a imaginé l'ombre de la Lune projetée sur un plan imaginaire passant par le centre de la Terre. Vous pourriez ensuite projeter cette ombre sur la surface du globe pour voir exactement où et quand l'ombre frapperait, un processus qui a finalement nécessité de considérer la Terre non pas comme une sphère mais comme un objet grumeleux, bosselé et en rotation. Après Bessel, de nombreux pays ont eu la portée impériale mondiale pour chasser ces ombres, a déclaré Déborah Kent, historien des mathématiques à l'Université de St. Andrews. Ce faisant, ils pourraient affiner davantage leurs calculs dans une bataille pour la suprématie scientifique du soft power.

Au cours du siècle suivant, les expéditions d'éclipses ont contribué à résoudre l'un des plus grands mystères de la science : l'orbite étrange de Mercure était-elle due à une planète non découverte entourant le soleil (qui deviendrait vraisemblablement visible lors d'une éclipse) ? Ou, comme cela s'est avéré être le cas, y avait-il un problème avec la compréhension de la gravité par Newton ? Ces enjeux ont rendu la prévision et l’observation des éclipses encore plus importantes, avec des scientifiques envoyés aux quatre coins de la Terre avec des instructions strictes sur où se trouver exactement et quelles données enregistrer. Ils ont ensuite déposé des rapports secs ponctués d’une « éruption de crainte » occasionnelle, a déclaré Kent. "Dans presque chacun d'entre eux, il y a une sorte de deux paragraphes de description rhapsodique, victorienne et exagérée."

Au XXe siècle, le problème s’est encore transformé. Pour bien prédire les éclipses, il faut toujours tenir compte du fait que la Lune et tout le reste du système solaire se tirent constamment l’un contre l’autre. Il ne s’agissait pas seulement du fameux « problème à trois corps » insoluble ; c'est un N-problème de corps. Lorsque la NASA a commencé à lancer des humains et des robots vers les corps du système solaire, le besoin de savoir où se trouvaient ces corps et où ils se trouveraient dans le futur est devenu plus urgent – ​​et il est devenu plus facile à comprendre.

Grâce aux miroirs laissés sur la Lune par les astronautes d'Apollo, nous savons où se trouve la Lune par rapport à la Terre à quelques mètres près, selon Parc Ryan, qui dirige le groupe Solar System Dynamics au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Et avec plusieurs engins spatiaux transmettant des données à distance alors qu'ils bourdonnent autour du système solaire, nous connaissons également la position du soleil avec une grande précision. L'équipe de Park alimente les données de position lunaire et solaire – ainsi que des paramètres similaires pour les planètes et des centaines d'astéroïdes, ainsi que des corrections pour des éléments tels que la pression du vent solaire, et pas seulement les lois de la gravité de Newton, mais aussi les ajustements plus subtils de la relativité générale – dans un modèle informatique. Ensuite, le modèle produit une liste des positions prévues de tout, y compris de la lune. Et puis, périodiquement, l'équipe du JPL met à jour son modèle et publie de nouvelles listes.

Ces positions, excessives pour la tâche de prévision des éclipses, sont censées être suffisamment bonnes pour les voyages spatiaux. "Je suis un peu surpris", a déclaré Park lorsque les développeurs de missions spatiales leur ont demandé s'ils devront passer du temps à déterminer où se trouvera exactement la Lune et comment elle se déplacera. "Je me dis non, non, non, non, nous avons résolu le problème il y a des années."