La mesure des distances, des angles et du temps

François Desvallées

Les distances

Les unités
La mesure de la Terre 10000km 107m
La Lune et le Soleil millions de km 109m
Le Système solaire milliards de km 1012m
1 année lumière 10 000 milliards de km 1016m
Notre galaxie 100000 années lumière 1021m
Les autres galaxies millions d’années lumière 1022m
L’Univers observable milliards d’années lumière 1026m

##Les unités de distance

Antiquité pied, coudée, stade, farasange, …
Autres farsakh, verste, li, …
Système Impérial pouce, pied, yard, mille, …
Système métrique ..

##Définition du mètre

1793 Dix-millionième du quart du méridien terrestre
1889 Mètre étalon en platine iridié
1960 1650763.73 longueurs d’onde de la ligne orange/rouge du krypton 86
1983 Distance parcourue par la lumière en 1/299792458 seconde

Mesurer les distances sur la Terre: la triangulation

Si on connaît un côté d’un triangle et deux de ses angles, on connaît tout

Triangulation - les méridiennes

La mesure de la Terre

A première vue, la Terre est plate et l’Univers est infini. Les Grecs savaient que la Terre est ronde, mais ne connaissaient pas sa taille, jusqu’à Eratosthène qui a obtenu un très bon résultat avec sa mesure de l’ombre d’un obélisque.

Méthode d’Eratosthène
Méthode d’Eratosthène

Méthode d’Eratosthène

La Lune

Si on connaît la taille de la Terre, on peut trouver la taille et la distance de la Lune (en mesurant l’ombre de la Terre lors des éclipses de Lune), et sa distance (par trigonométrie)

Le Soleil

Aristarque de Samos a obtenu une (mauvaise) estimation de la taille et de la distance du Soleil.

Le Système Solaire

Au XVII° siècle Képler a déterminé les orbites et les lois qui régissent ces mouvements,

puis Newton les a expliquées et mises en équations, mais toujours sans connaître la distance Terre-Soleil (Unité Astronomique)

Depuis Képler on savait que le rayon de l’orbite de Jupiter était d’environ 5 UA. Mais combien vaut une UA en kilomètres?

Les transits de Mercure et Vénus ont donné des résultats, mais ceux-ci restaient imprécis à cause des erreurs dûes à l’atmosphère.

Ce n’est que vers 1960 que des mesures par radar de Vénus ont donné la mesure de l’UA avec une bonne précision (149 597 870 km).

Les étoiles proches

L’UA est l’échelle pour mesurer tout le système solaire et les distances aux étoiles proches, grâce à la parallaxe (que nous utilisons aussi pour notre vision binoculaire).

La première mesure de distance d’étoiles par parallaxe (en 1860) a été réalisée sur 61 Cyg: 720 000 UA = 11,4 AL.

Les étoiles lointaines

Pour les étoiles plus lointaines, on utilise une autre méthode: L’éclat apparent dépend de la luminosité absolue et de la distance.
Si on connaît la luminosité on peut trouver la distance.

On peut estimer la luminosité absolue grace à la spectroscopie, mais aussi aux “bougies étalons” (standard candles)

Les Céphéides

Henrietta Leavitt

Les galaxies et autres objets lointains

C’est Edwin Hubble au début du XXe siècle qui a bouleversé notre connaissance de l’Univers, par l’étude des céphéides de M31 et du décalage vers le rouge (red shift), en montrant que la vitesse d’éloignement des galaxies est proportionnelle à leur distance.

GN-z11 : 13.39 milliards d’années lumière

La mesure des angles

Unités

Systèmes de coordonnées

Instruments

Astrométrie

Les unités

Le même angle exprimé en..

Radians Degrés sexagésimaux Degrés décimaux Ascension droite
0.2618 15° 15.0° 1h
1 57°17’44" 57.2958° 3h49m11s
360° 360.0° 24h

Systèmes de coordonnées

Azimut (A)
Altitude (a)

Ascension droite (α)
Déclinaison (δ)

Coordonnées terrestres et célestes

Direction Nord - Sud Est - Ouest
Terre Latitude (φ) Longitude (λ)
Ciel Déclinaison (δ) Ascension droite (α)

Conversions de coordonnées

  • H = t - α
  • sin(a) = sin(δ) sin(φ) + cos(δ) cos(φ) cos(H)
  • sin(A) = - sin(H) cos(δ) / cos(a)
  • cos(A) = { sin(δ) - sin(φ) sin(a) } / cos(φ) cos(a)

Les instruments de mesure d’angles: Quadrants et Sextants

Astrolabe

Armilles

L’observatoire d’Ulug Begh

Lunettes méridiennes

L’astrophotographie

James Abell au Big Schmidt du mont Palomar

Gaia

Orbite de Gaia

Le point L2 est à 1,5 million de kilomètres

Gaia tourne sur lui-même en 6 heures

Le temps

Temps local apparent

Analemme

Temps relatif à la rotation de la Terre

Temps local apparent Rotation de la Terre par rapport au Soleil
Temps solaire moyen “Soleil moyen” - corrige les irrégularités
Temps universel TU - anciennement GMT - défini au méridien de Greenwich
Temps sidéral Rotation de la Terre par rapport aux étoiles

Temps uniforme

Temps atomique international moyenne de 200 horloges atomiques
Temps coordonné géocentrique au centre de la Terre
Temps coordonné barycentrique au centre du Soleil

Le mois

Mois sidéral Période orbitale de la Lune
Mois synodique Intervalle entre deux nouvelles lunes consécutives
Mois anomalistique Intervalle de temps entre deux périgées de la Lune
Mois tropique Temps mis par la Lune pour retrouver la même longitude écliptique
Mois draconitique Période entre deux passages de la Lune au même nœud de son orbite

Dans les calendriers lunaires ou lunisolaire, un mois lunaire correspond à deux alignements successifs du Soleil, de la Terre et de la Lune
(syzygies identiques!!).

Clepsydres et sabliers

Christiaan Huygens - 1657

En observant le passage au méridien d’un astre:

  • il est facile de trouver la latitude
  • si on connaît l’heure, on peut en déduire la longitude

Jusqu’à l’invention d’horloges précises, on ne pouvait pas établir correctement sa longitude

Horloge de John Harrison - 1725

Horloges à quartz

Horloges atomiques

GPS - Global Positioning System

Références

Crash Course Astronomy - Phil Plait

The Astronomical Companion - Guy Ottewell

Astronomie Générale - André Danjon

The Exact Sciences in Antiquity - Otto Neugebauer