La conquête de l'espace.
Comment les différents contextes historiques et économiques ont-ils influencé la conquête de l'espace et les innovations techniques qu'elle apporte ?
Cromlech de Swinside
Néolithique (9 000 à 3 300 av. J.-C)
Os de l'abri Blanchard
32 000 ans avant notre ère.
Aujourd'hui, les voyages spatiaux (orbitaux) sont devenus banals pour l'Homme mais nous sommes au XXIème siècle, l'Homme a des dizaines de milliers d'année d'histoire derrière lui. Alors comment en est-on arrivés à d'aussi nombreux voyages spatiaux ? L'Homme s'interresse depuis des générations aux étoiles dans le ciel, en effet l'astronomie est l'une des plus anciennes sciences naturelles remontant jusque, même, la préhistoire.
Eratosthène de Cyrène fut un érudit grec responsable de la bibliothèque d'Alexendrie. Il apprit qu'à la ville de Syenne,
à 800km d'Alexendrie, à midi au solstice d'été, les rayons du Soleil pénètrent jusqu'au fond des puits. Il eut alors l'idée de mesurer la taille de l'ombre fournie par un obelisque au même moment à Alexendrie. Grâce au théorème de Pythagore, il calcula la distance entre le sommet de l'obelisque ( dont l'on nomme la base A et le sommet B) et le bout son ombre (que l'on nomme C).
AB=6.3 coudées AC=50 coudées alors BC²= 50²+6.3² donc, BC=50.395 coudées.
Ainsi, en utilisant le cosinus de l'angle ABC (l'angle de l'ombre) il obtient la mesure de cet angle.
cos(BCA)=AC/BC=50/50.395=0.99
BCA=cos⁻¹(0.99)=8°
(les calculs effectués sont faits à partir de données qui concordent avec l'angle trouvé par Eratosthène: environ 8° sachant que la valeur réelle est 7.2°)
Sachant que le Soleil est très éloigné, il considéra les rayons du Soleil comme parallèles. Ainsi, l'angle dont le sommet est le centre de la Terre et qui relit Syrène à Alexendrie (∅ sur le shéma) est égal à l'angle de l'ombre sur Alexendrie (car ses angles sont alternes internes : ils résultent d'une droite coupant deux droites parallèles). De ce fait, il trouva que pour ∅=8°, la distanse sur Terre est de 800km. Donc il trouva par proportionalité (360/8*800) que pour ∅=360°, la distance sur Terre soit la circonférence de la Terre est d'environ 36000km (assez proche de la réalité : 40000km).
Il put ainsi calculer le rayon de la Terre grâce à la relation :
circonférence = rayon*2*π
( rayon=circonférence/π/2=3600/π/2=5729.578 )
Il trouva environ 5729.6km ce qui est proche de la réalité : 6370km.
Au Néolithique, les signes d'une observation et d'une utilisation des astres pour, notamment, se situer dans le temps se multiplient. On pense entre autres aux monuments (monuments car la frontière entre religion et/ou science est difficile a déterminer pour l'époque) circulaires tels que le Cromlech de Swinside (utilisation de Soleil) ou même Stonehenge mais les scientifiques restent scéptiques quand à sa réelle utilité et/ou signification. Le Cercle de Goseck (4 800 av. J-C) présentant 3 cercles concentriques aurait servi de calendrier sacré aux prêtres et aux premiers agriculteurs (leur permettant de déterminer les meilleurs moments pour commencer et terminer les cultures) grâce à l'observations des cycles céléstes (Lune, Soleil, planètes, étoiles).
Calcul de la circonférence et du rayon de la Terre
Eratosthène de Cyrène (-280 à -198)
L'Homme, depuis tout temps la tête dans les étoiles
Grâce aux archéo-astronomes, on peut déceler de nombreux signes d'une observation des astres, et en particulier de la Lune.
L'os de l'abri Blanchard présente de nombreuses similitudes avec les différents aspects visibles de la Lune (lunaisons).
La grotte de Lascaux présenterait, elle aussi, des signes d'observations astronomiques.
L'astronomie à la préhistoire.
L'astronomie de la grèce antique.
Calcul du diamètre lunaire et de la distance Terre-lune
Aristarque de Samos, vers -250
Ptolémée est considéré comme le dernier grand savant de la Grèce antique. Notamment grand astronome, il mit au point une théorie sur la conception de l'espace selon laquelle la Terre serait au centre de l'univers : le géocentrisme de l'univers. Selon lui, la Terre serait immobile, au centre de l'univers et, autour, tourneraient le Soleil, les planètes et enfin dans une orbite lointaine, les étoiles (voir shéma à gauche).
Modèle du système solaire
Ptolémée, 90 à 168 après J-C
Aristarque de Samos, vers -250
Système héliocentrique
Nicolas Copernique, 1473 à 1543
L'astronomie de la Renaissance au XVIIIème siècle.
Naissance de la lunette astronomique
Galilée, 1564 à 1642
Newton, 1643 à1727
Copernic, astronome polonais, remit en cause en ce début de renaissance le système de Ptolémée et défendit un système héliocentrique. En effet, il trouva au système géocentrique, reconnut jusque là, de nombreux défauts : l'incapacité à décrire certains phénomènes, l'inharmonie, ainsi que les épicycles effectués par chaque planète qu'il juge irréaliste.
S'inspirant d'autres savants grecs, il prôna pour un système héliocentrique qui met de l'ordre et de la logique au système solaire: la taille de l'orbite devient proportionnelle au temps de révolution, les épicycles sont retirés et certains phénomènes comme le mouvement rétrograde (voir au-dessus) sont expliqués de façon claire et logique.
Ce système permetra alors l'élaboration de lois du mouvement dans le système solaire.
Galilée, savant iltalien de la Renaissance améliora la londue vue en améliorant le grosissement (fois 30) et la qualité (image droite grâce à une lentille divergente en oculaire); Il put ainsi observé plus nettement la lune, les planètes du système solaire et leurs satellites.
Isaac Newton quelques décennies plus tard fabriqua le premier télescope: "le télescope de Newton". Contrairement aux lunettes astronomiques, le télescope réflecte la lumière à l'aide de miroirs (les lunettes la réfracte à l'aide de lentilles).
Ce système efficace est moins cher et plus simple que la lentille astronomique.
Aujourd'hui, l'appareil permettent de voir le plus loin est toujours le télescope. Le plus performant est le célèbre "Hubble" (cliquez ici pour plus d'information), placé dans l'espace
Vitesse de la lumière et astronomie
Galilée, 1564 à 1642
Olaus Romer, 1676
Hippolyte fizeau, 1849
Avant la fin du XVIème siècle, on pensait que la vitesse de la lumière était infinie. Galilée fut le premier à penser qu'elle pouvait être finie.
Pour le prouver, il tenta une expérience. Il plaça un assistant sur une colline et
se mit sur la colline voisine située à 1.8km. Galilée devait allumer une lanterne
en déclenchant une sorte de chronomètre (une clepsydre) et son assistant devait
allumer une lanterne dés qu'il verrait celle de Galilée et celui-ci devait arrêter son
horloge dés qu'il apercevrait la lumière de son assistant. Cela ne mena à rien car
la distance était trop courte (temps=distance/vitesse=3.6/299792.458=1.2*10⁻⁵secondes ce qui est impossible à mesurer sans appareils adéquates). Galilée en conclue que la vitesse était tellement élevée que l'on ne pouvait la mesurer.
Quelques années plus tard en 1676, l'astronome danois Olaus Romer observa le satellite "Io" de Jupiter. Chaque éclipse de ce satellite (le moment où Io est caché par Jupiter) était prévue quelques temps à l'avance, mais à chaque fois, la prédiction avait soit du retard, soit de l'avance. Olaus Romer intrigué étudia le phénomène et constata que plus la Terre était proche de Jupiter, plus les prédiction avait de l'avance et vice versa. Il apporta alors la preuve que la lumière met plus ou moins de temps à nous parvenir et donc qu'elle avait une vitesse finie.
Deux siècle plus tard, en 1849, Hippolyte Fizeau fit une mesure de la vitesse de la lumière.
Il mesura la distance entre sa maison de Montmartre et sa maison de Suresnes, il trouva 8.633km.
Ensuite, il plaça comme l'indique le shéma à droite un miroir à
Montmartre et une miroir semi-réfléchissant à Sursnes afin de
réfléchire vers Montmartre un rayon lumineux. Ce rayon passait
alors entre les dents d'une roue, se réfléchissait à Montmartre et
revenait dans l'oeil de l'observateur. Lorsque la roue tournait
lentement, la lumière apparaissait dans entre les mêmes dents
de la roue. Mais, lorsque Fizeau fit tourner la roue rapidement,
la lumière apparaissait dans le creux suivant de la roue. Il conclue
donc que la lumière pour aller de Montmartre à Suresnes met autant de tant qu'une dent de la roue pour prendre la place de la dent suivante. Il mesura alors ce temps et trouva 55 millionième de seconde. Il pu ensuite calculer la vitesse de la lumière.
(Pour 17.266km, la lumière met 0.000055 secondes vitesse=distance/temps=17266/0.000055=313927272.7m/s)
Il touva donc environ 314000000m/s ce qui n'est pas si loin de la réalité.
La connaissance de la vitesse de la lumière permit de comprendre certains phénomène et de calculer certaines distances plus facilement.
Durant le XIXème et le début du XXème, les progrès techniques ainsi que des régimes politiques plus favorables (baisse de l'importance du christianisme) amènent l'astronomie à se développer. Les découvertes faites jusque là se confirment et s'approfondissent. On découvre aussi la structure de l'univers (galaxie, définition d'étoile, espansion de l'univers, ...) et des hypothèses sont faites ( théorie du Big Bang, etc...). Puis, lors des années 1950, ces découvertes de l'astronomie participent à rendre possible la conquète de l'espace qui, elle-même, multipliera les découvertes en astronomie.
Et après ?
Aristarque de Samos fut un savan grec qui fit ses études à Alexendrie. Il fut le premier à avoir l'idée d'utiliser les éclipses de Lune afin de calculer les distances liées à notre satellite naturel.
Les calculs qu'il effectués furent surtout remarquables pour leur principe, car ces résultats obtenus étaient en fait très approximatifs.
Comme Eratosthène, il considérait les rayon du Soleil comme parallèles, et donc il considéra que lors d'une éclipse de Lune l'ombre de la Terre qui cache notre satellite est cylindrique (voir shéma ci-contre).
Il observe alors que la Lune est entièrement occultée durant 2 heures lors d'une éclipse totale de Lune et que notre satellite met une heure à parcourir dans le ciel son propre diamètre.
A l'instant où la Lune finit de disparaitre, un diamètre lunaire est dans l'ombre. Suit ensuite 2 heures (soit d'après les observation d'Aristarque 2 diamètres lunaires) avant que la Lune commence à réaparaître. Ainsi Aristarque conclue que la Lune à un diamètre 3 fois plus petit que celui de la Terre (en réalité, le diamètre terrestre est 3.7 fois plus grand ce qui est assez loin du résultat trouvé, c'est pourquoi les travaux d'Aristarque sont plus réputés pour leur ingéniosité).
Ensuite, connaissant déjà l'angle sous lequel en voit la lune ( 0.5° ), par proportionalité, il obteint la circonférence de l'orbite lunaire (voir shéma à droite).
[Pour 0.5° la distance fait 1/3 du diamètre terrestre, donc pour 360° la distance est de 1/3*720 diamètre terrestre soit 240 diamètres terrestres.]
Ainsi grâce à la relation circonférence=rayon*2*∐ , il obteint le rayon: environ 40 diamètre terrestre (en réalité, c'est 60.2).
[rayon=circonférence/∐/2=240/∐/2=38.2 diamètre terrestre]
Puis, comme dans la même époque Eratosthène obtient le diamètre terrestre, la distance Terre-lune et le diamètre lunaire purent être calculés.
Par la suite, Aristarque fit d'autre calculs de ce style pour calculer la distance Terre-Soleil et le diamètre solaire.
Le cercle représente l'orbite lunaire, le T la Terre et le petit cercle la lune.
Cependant, une orbite sphérique des planètes et du Soleil ne concordait pas avec ses observation. En effet, un problème se pose : le mouvement rétrograde des planètes. Prenons l'exemple de Mars, lorsque l'on observe sa trajectoire dans le ciel au cours de l'année, on s'aperçoit qu'à un moment elle ralentie puis revient en arrière pour créer une boucle et ensuite repartir dans sa trajectoire usuelle. Ce mouvement rétrograde est du au fait des positions plus ou moins proches de la Terre et de Mars (voir animation à gauche). Ce mouvement fut une des plus grandes énigmes des astronomes jusqu'à la renaissance.
Ptolémée n'échapant pas à la règle, du expliquer ce mouvement rétrograde suivant son modèle géocentrique de l'univers. C'est pourquoi il imagina que chaque planète tournaient autour de petits cercles appellés épicycles tout en tournant autour de la Terre (voir shéma à droite). Ainsi, son modèle géocentrique concordait avec les observations et l'on put faire.
Bien entendu, ce système est faux mais il perdura jusqu'à la renaissance.
Certains savant grecs antérieurs tel Aristarque avait cependant imaginé un modèle héliocentrique où la Terre tout en tournant sur elle-même tourne autour du Soleil.
En bas de l'animation il s'agit de ce qu'il se passe dans la réalité. En haut il s'agit de ce que l'on observe depuis la Terre.
cliquez ci-dessus pour une animation du sytstème héliocentrique par le site "solar system scope"
L'art du début du XXème siècle, témoin des rêves des hommes
George Méliès, premier à représenter au cinéma un voyage vers la lune
George Méliès (1861-1938) est un des premiers réalisateurs de film ayant utilisé le trucage, ceci dans le but de réaliser des films de science fiction. Parmis ses films les plus connus, figure "Voyage dans la lune" réalisé en 1901 (voir vidéo ci-contre). S'inspirant du roman De la Terre à la Lune de Jules Verne et du rêve de nombreuses personnes, son film met en scène des humains allant sur la Lune. Les "spationautes" sont alors installés dans une sorte de grand obus tiré par un gigantesque canon. L'idée, même si elle n'est pas au point est là (en effet, Méliès ne tient pas compte de la gravité différente sur la Lune, de l'absence d'oxygène, etc...). L'application de moyens militaires dans la conquête de l'espace sera d'ailleurs plus tard la base de cette conquête (avec les obus de plus en plus puissants qui finiront par devenir fusées sondes et avec les missiles allemands "V2").
Objectif Lune et On a marché sur la Lune, Hergé
Le rêve collectif de conquête de la Lune et de l'espace est bien présent tout au long des siècles et plus particulièrement au XXIème siècle, juste avant le début de la conquête. Ce rêve est retranscrit par l'art de cette époque. Parmis les oeuvres d'art dédiées à la conquête de la Lune et de l'espace, figurent notamment le court métrage Voyage dans la Lune de Méliès ainsi que les albums de Tintin "Objectif Lune" et "On a marché sur la Lune" d'Hergé.
Case de la BD "On a marché sur la Lune" d"Hergé"
S'il y a un auteur qui à représenté de façon réaliste la conquête de la Lune avant 1969, c'est bien Hergé, le fameux auteur des aventures de Tintin. En effet, il publia en 1953 et en 1953 deux bandes dessinés (Objectif Lune et On a marché sur la Lune) de Tintin où celui-ci avec son ami le capitaine Haddock participe au premier voyage sur la Lune organisé par le professeur Tournesol. Outre le côté fictif de ces BD, elles sont assez remarquables par leurs aspects réalistes. En effet, Hergé mena quelques recherches sur l'avancement de la conquête de la Lune à son époque. On retrouve ainsi une fusée "V-2", premier véhicule spacial fabriqué par les nazis puis récupéré par les américains.
Les effets de la gravité lunaire sont respéctés et les personnages portent des combinaisons munies de bouteilles d'oxygène. La seule véritable erreur d'Hergé est d'avoir installé les astronautes dans une fusée et non dans un vaisseau. En effet, dans la réalité le lanceur (Saturn) est laché lors de la sortie atmosphérique et ne se pose en aucun cas sur la Lune, les astronautes y atterrissent et y repartent à l'aide d'un vaisseau spatial (voir "Apollo11") . Sinon, la conquête de la Lune de Tintin est assez proche de celle de 1969.