Découverte de Neptune

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Article principal : Neptune (planète).
Découverte de Neptune
Neptune, vue par Voyager 2 en 1989,  soit 143 ans après la découverte de la planète.
Neptune, vue par Voyager 2 en 1989,
soit 143 ans après la découverte de la planète.
Généralités
Type Découverte d'une planète.
Localisation Drapeau de la France France (calcul)
Flag of the Kingdom of Prussia (1803-1892).svg Observatoire de Berlin (Berlin, Prusse) (observation)
Date 31 août 1846 (calcul(*))
23 septembre 1846 (obs.)

(*)date de publication des résultats entrepris par Le Verrier depuis 1844.

Participant(s) Urbain Le Verrier (calcul),
Johann Gottfried Galle (obs.)
Image composite montrant la planète Neptune vue de sa lune Triton.

La découverte de Neptune est la première découverte d'un objet céleste réalisée grâce au calcul mathématique avant de l'être par l'observation. Longtemps objet de débats quant à sa paternité, elle est aujourd'hui attribuée sans conteste à l'astronome français Urbain Le Verrier, qui a prédit mathématiquement l'existence et la position de la planète. Les résultats de Le Verrier, publiés fin août 1846 après deux ans de calculs à partir de la trajectoire et des caractéristiques d'Uranus, conduisent l'astronome allemand Johann Gottfried Galle, assisté par son compatriote Heinrich Louis d'Arrest, à observer dans la nuit du 23 au 24 septembre 1846 à l'Observatoire de Berlin la planète à moins d'un degré de la position théorique déterminée par Le Verrier.

Rétrospectivement, on sait que Neptune avait été observée antérieurement par plusieurs astronomes parmi lesquels Galilée, Jérôme Lalande et John Herschel, mais ces derniers n'avaient pas détecté sa nature planétaire. La découverte mathématique de Neptune est considérée comme une confirmation supplémentaire de l'efficacité de la théorie de la gravitation de Newton. Comme le dit François Arago, « M. Le Verrier a aperçu le nouvel astre sans avoir besoin de jeter un seul regard vers le ciel ; il l'a vu au bout de sa plume »[1].

La paternité de la découverte a suscité une certaine controverse entre la France et l'Angleterre, où John Couch Adams a effectué des calculs antérieurs à Le Verrier sur la nature du « corps perturbateur » de l'orbite d'Uranus.

La découverte de Neptune a aussi conduit à la découverte de sa lune Triton dix-sept jours plus tard par William Lassell[2].

Premières observations[modifier | modifier le code]

Neptune est invisible à l’œil nu car sa magnitude apparente ne dépasse jamais 7,7[3]. Les premières observations de Neptune ne sont donc possibles qu'après l'invention du télescope.

Neptune a été vue par Galilée en 1613, Jérôme Lalande en 1795 et John Herschel en 1820, mais aucun n'a officiellement reconnu la planète à l'époque[4]. Ces observations ont été très importantes plus tard pour déterminer avec précision l'orbite de Neptune. Neptune semble bien en évidence, même dans les premiers télescopes, ce qui apporte de la crédibilité aux premières observations[5].

Les dessins de Galilée montrent qu'il a observé Neptune le 28 décembre 1612 et à nouveau le 27 janvier 1613. Lors des deux observations, Galilée croit que Neptune est une étoile fixe. Au moment de sa première observation, Neptune était immobile dans le ciel parce qu'elle commençait à ce moment son mouvement rétrograde. Son mouvement a alors été jugé trop léger et sa taille apparente trop petite, pour être considérée comme une planète dans le petit télescope de Galilée[6]. Cependant, en juillet 2009, le physicien David Jamieson de l'université de Melbourne a annoncé que Galilée était probablement conscient qu'il avait découvert quelque chose d'inhabituel à propos de cette « étoile ». Dans un de ses carnets, Galilée a noté le mouvement d'une étoile en arrière-plan (Neptune) le 28 janvier et un point (position de Neptune) que le physicien a trouvé sur un croquis antérieur, tiré de la nuit du 6 janvier, établi dans une encre différente suggérant une recherche systématique parmi ses observations précédentes[7].

En 1847, Sears Cook Walker de l'Observatoire naval des États-Unis, a recherché des documents historique et il a enquêté sur des observations antérieurs possibles de la planète Neptune. Il a constaté que les observations faites par l'équipe de Jérôme Lalande à l'Observatoire de Paris en 1795 étaient en direction de la position de Neptune dans le ciel. Dans les observations du catalogue du 8 et du 10 mai 1795, une étoile a été observée dans la position approximative de Neptune. L'incertitude de la position a été noté par une virgule. Cette notation a également été utilisée pour indiquer une erreur d'observation, ce n'est seulement qu'après avoir examiné les documents originaux de l'observatoire qu'il a été établi avec certitude que l'objet était Neptune et l'erreur de position dans les nuit du 8 et 10 mai était due à celle de la planète en mouvement dans le ciel[8]. La découverte, en 1795, de ces dossiers sur la position de Neptune a permis de calculer son orbite de façon plus précise[9].

John Herschel a découvert Neptune en 1830 par hasard tout comme son père William Herschel a découvert Uranus en 1781. Dans une lettre de 1846 adressée à Friedrich Georg Wilhelm von Struve, Herschel note qu'il a observé Neptune lors d'un balayage du ciel le 14 juillet 1830. Même si son télescope était assez puissant pour apercevoir Neptune en un petit disque bleu, permettant ainsi de la distinguer d'une étoile, Herschel ne la reconnait pas à l'époque et pense que c'est une étoile[10].

Irrégularités dans l'orbite d'Uranus[modifier | modifier le code]

En position a, la planète extérieure perturbe gravitationnellement l'orbite d'Uranus, la tirant en avant de l'emplacement prévu. L'inverse est vrai en b, où la perturbation retarde le mouvement orbital d'Uranus.

En 1781, Anders Johan Lexell est le premier à remarquer des irrégularités en calculant l'orbite d'Uranus. Il suggère qu'il pourrait y avoir d'autres planètes dans le Système solaire qui perturbent l'orbite de cette planète, considérant que le Système solaire s'étend aussi loin que 100 unités astronomiques[11].

En 1821, Alexis Bouvard publie des tables astronomiques de l'orbite d'Uranus, faisant des prédictions de positions futures basées sur les lois du mouvement de Newton et sur la gravitation. Des observations ultérieures révèlent des écarts importants dans les tables, amenant Bouvard à émettre l'hypothèse de certains corps perturbants[12]. Ces irrégularités, ou « résidus », à la fois dans la longitude écliptique et à la distance au Soleil de la planète, pourraient s'expliquer par un certain nombre d'hypothèses. L'effet de la gravité du Soleil, à une si grande distance, pourrait différer de la description de Newton. Les écarts pourraient également tout simplement être des erreurs d'observation. Finalement, Uranus pouvait être perturbée par une huitième planète encore inconnue.

L’idée de l’existence d’une planète qui troublerait le mouvement d’Uranus était donc dans l’air bien avant l’intervention d'Adams et de Le Verrier, et il ne faut donc pas s’étonner que plusieurs astronomes aient essayé comme lui de prédire sa position par le calcul. D'ailleurs, dès avant 1840, Friedrich Wilhelm Bessel, qui avait insisté sur l’existence possible de « masses troublantes », avait chargé son élève Friedrich Wilhelm Flemming (1812-1840) de rassembler et de réduire les observations d’Uranus pour les comparer aux tables. Sans résultat, probablement à cause de la longue maladie du premier et la disparition prématurée du second[1].

John Couch Adams
John Couch Adams

John Couch Adams apprend les irrégularités de l'orbite d'Uranus alors qu'il est étudiant. Il est alors convaincu que l'hypothèse de la « perturbation » est bonne. Adams décide alors de calculer la masse, la position et l'orbite du corps perturbant en utilisant rien de plus que la loi de la gravitation universelle de Newton.

En termes modernes, le problème est un problème inverse, i.e. une tentative de déduire les paramètres d'un modèle mathématique à partir des données observées. Bien que le problème est simple pour les outils des mathématiques, à l'époque, il demande beaucoup de calculs laborieux à la main.

Adams commence par supposer une position pour le corps hypothétique en utilisant la loi de Bode. Il calcule ensuite la trajectoire d'Uranus en utilisant la position supposée du corps troublant et calcule également la différence entre sa trajectoire calculée et les observations (i.e., en termes modernes, les résidus). Il ajuste ensuite les caractéristiques du corps troublant de la façon suggérée pour les résidus et répète le processus, par une approche similaire à celle de la régression.

Le 13 février 1844, James Challis, directeur de l'Observatoire de Cambridge, demande, pour Adams, des données sur la position d'Uranus à l'astronome royal George Biddell Airy de l'Observatoire royal de Greenwich[13]. Par la suite, Adams fait des retouches au moins jusqu'au 18 septembre 1845[13].

François Arago, qui est responsable de l’Observatoire de Paris, souhaite évidemment que le problème d’Uranus y soit traité. Alexis Bouvard mort, Arago ne voit personne à l’Observatoire qui soit capable d’aborder un problème aussi difficile. Au cours de l’été 1845, il demande à un jeune astronome extérieur à l’Observatoire, Urbain J.J. Le Verrier, de s’y attaquer[1]. Peu après, le 10 novembre 1845, Le Verrier présente un mémoire sur Uranus à l'Académie des sciences de Paris, montrant que la théorie préexistante ne tenait pas compte de son mouvement. Au courant des travaux d'Adams, il tente une enquête similaire et calcule la position du corps perturbateur proposé. Il présente ses résultats le 1er juin 1846 dans un second mémoire présenté à une réunion publique de l'Académie.

Course à la découverte[modifier | modifier le code]

Après avoir reçu en Angleterre les nouvelles de la prédiction de juin de Le Verrier, George Airy a immédiatement reconnu la similitude des solutions de Le Verrier et Adams. Jusqu'à ce moment, le travail d'Adams avait été un peu plus qu'une curiosité, mais une confirmation indépendante de Le Verrier stimulait Airy d'organiser une tentative secrète de trouver la planète. En juillet 1846, lors d'une réunion du Conseil des visiteurs de l'observatoire de Greenwich, avec Challis et Sir John Herschel présents, Airy suggère que Challis cherche la planète d'urgence avec le télescope à monture équatoriale de 11,25 pouces de Cambridge. La recherche débute le 29 juillet. Adams continue à travailler sur le problème, en fournissant à l'équipe britannique six solutions en 1845 et 1846 qui amènent Challis à chercher dans la mauvaise partie du ciel. Ce n'est qu'après que la découverte de Neptune ait été annoncé à Paris et à Berlin qu'il devenu évident que Neptune avait été observée à Cambridge le 8 août et le 12 août. Cependant, puisque Challis n'avait pas une carte d'étoiles à jour, elle n'a pas été reconnue comme une planète.

Le 31 août, Le Verrier présente un troisième mémoire à l’Académie des sciences, donnant maintenant la masse et l'orbite du nouveau corps. Peu après, il écrit à plusieurs astronomes étrangers qu’il sait disposer d’instruments puissants et surtout de bonnes cartes du Ciel qui n’existent pas non plus à l’Observatoire de Paris. D’ailleurs, malgré les efforts d’Arago, on ne découvrira pas la planète à Paris[1].

Johann Gottfried Galle de l'Observatoire de Berlin reçoit la lettre de Le Verrier le 23 septembre et se met immédiatement au travail en observant la région suggérée par Le Verrier. L'étudiant de Galle, Heinrich Louis d'Arrest, suggère qu'une carte du ciel récemment dessinée de l'emplacement du ciel suggéré par Le Verrier pourrait être comparée avec les nouvelles observations afin de chercher la caractéristique de déplacement d'une planète par opposition à une étoile fixe.

Neptune est découverte peu après minuit, après moins d'une heure de recherche et à moins de 1 degré de la position que Le Verrier avait prédit. Après deux nuits supplémentaires d'observations dans lesquelles sa position et son mouvement sont vérifiés, Galle répond à Le Verrier : « la planète dont le lieu que vous avez [calculé] existe vraiment » (mis en évidence dans l'original).

À l'annonce de la découverte, Herschel, Challis et Richard Sheepshanks, ministre des affaires étrangères à la Royal Astronomical Society, annoncent qu'Adams avait déjà calculé la position et les caractéristiques de la planète. Airy a publié plus tard un compte-rendu de la situation, mais cache dans ce dernier que les calculs d'Adams étaient incomplets[12],[14].

Paternité de la découverte[modifier | modifier le code]

Une vive controverse s'est développée en France et en Angleterre à propos des mérites accordés aux deux astronomes. Airy a été fortement critiqué en Angleterre, particulièrement par le mathématicien James Whitbread, pour ne pas avoir, avec Challis, joué correctement leur rôle de mentors et d'avoir soutenu le talent d'Adams, jeune homme timide et réticent à publier des résultats pouvant ruiner sa carrière[15]. Airy a défendu son comportement, en affirmant que la recherche d'une planète n'était pas le rôle de l'Observatoire royal de Greenwich. Dans l'ensemble, Airy a été défendu par ses biographes[15]. Adams affirme cependant n'avoir ressenti aucune déception envers Challis et Airy[15]. Il reconnaît avoir échoué lui-même à convaincre ses pairs de la valeur de ses travaux : « Je ne pouvais pas espérer que les astronomes d'expérience, qui étaient déjà occupés par d'importants travaux, pourraient avoir autant confiance en mes résultats que moi-même[trad 1] »[14].

En France, la défense d'un Anglais inconnu a été ressentie comme portant atteinte au crédit accordé aux réalisations d'Urbain Le Verrier[12]. L'année de la découverte, la Royal Society décerne la médaille Copley au scientifique pour ses réalisations, sans mentionner Adams. Malgré cela, la réputation académique d'Adams était déjà assurée[15].

Certains astronomes britanniques soulignent que les deux astronomes ont résolu indépendamment le problème d'Uranus et attribuent une importance égale à chacun[15],[12]. Cependant, Adams lui-même a reconnu publiquement que Le Verrier l'avait devancé (en n'oubliant pas de mentionner le rôle de Galle) dans un document qu'il a donné à la Société Royale d'astronomie en novembre 1846 :

« Je souligne ces dates simplement pour montrer que mes résultats ont été obtenus de façon indépendante, et préalablement à la publication de ceux de M. Le Verrier, et non pas avec l'intention de nuire à ses justes revendications par rapport aux honneurs de la découverte, car il n'y a pas de doute que ses recherches ont été rendues publiques en premier et ont conduit à la découverte de la planète par le Dr Galle. Les faits énoncés ci-dessus n'enlèvent rien au crédit de M. Le Verrier[trad 2]. »

— J. C. Adams, On the Perturbation of Uranus[16]

Des critiques ont paru peu de temps après disant qu'Adams et Le Verrier avait été trop optimistes dans la précision des calculs qu'ils ont fait et qu'ils avaient surestimés la distance de la planète au Soleil. Cette critique a été analysée en détail par André Danjon en 1946, qui a illustré, à l'aide d'un diagramme, que l'hypothèse des orbites calculées à la fois par Le Verrier et Adams sont très différentes de la vraie orbite de Neptune[17].

La nouvelle planète, d'abord appelé «Le Verrier» par Arago, a reçu, après consensus, le nom neutre de Neptune.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. (en) « I could not expect however that practical astronomers, who were already fully occupied with important labours, would feel as much confidence in the results of my investigations, as I myself did. »
  2. (en) « I mention these dates merely to show that my results were arrived at independently, and previously to the publication of those of M. Le Verrier, and not with the intention of interfering with his just claims to the honours of the discovery ; for there is no doubt that his researches were first published to the world, and led to the actual discovery of the planet by Dr. Galle, so that the facts stated above cannot detract, in the slightest degree, from the credit due to M. Le Verrier. »

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c et d La phrase complète d'Arago est :

    « Ceux-ci [les astronomes] ont quelquefois trouvé, accidentellement, un point mobile, une planète, dans le champ de leur télescope ; M. Le Verrier a aperçu le nouvel astre sans avoir besoin de jeter un seul regard vers le ciel ; il l'a vu au bout de sa plume ; il a déterminé par la seule puissance du calcul, la place et la grandeur d'un corps situé bien au delà des limites jusqu'ici connues de notre système planétaire, d'un corps dont la distance au Soleil surpasse 1200 millions de lieues [soit 4,8 milliards de kilomètres, NDR], et qui, dans nos plus puissantes lunettes, offre à peine un disque sensible. »

    Extrait des Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences, tome 23, juillet-décembre 1846, p. 660.
  2. (en) W. Lassell, « Discovery of supposed ring and satellite of Neptune », Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. 7,‎ novembre 1846, p. 157 (lire en ligne)
  3. (en)David R. Williams, « Neptune Fact Sheet », NASA,‎ 1 septembre 2004
  4. (en)J. J. O'Connor et E. F. Robertson, « Mathematical discovery of planets »,‎ septembre 1996
  5. (en) Charles T. Kowal et Stillman Drake, « Galileo's observations of Neptune », Nature, vol. 287, no 5780,‎ 25 septembre 1980, p. 311–313 (DOI 10.1038/287311a0, Bibcode 1980Natur.287..311K, lire en ligne)
  6. Mark Littmann et E. M. Standish, Planets Beyond: Discovering the Outer Solar System, Courier Dover Publications,‎ 2004, 319 p. (ISBN 0-486-43602-0, présentation en ligne)
  7. (en)Robert Roy Britt, « New Theory: Galileo Discovered Neptune », sur Space.com.,‎ 9 juillet 2009
  8. (en) Fred William Price, The planet observer's handbook, Cambridge University Press,‎ 2000 (ISBN 978-0-521-78981-3, lire en ligne), p. 352
  9. (en)« USNO – Our Command History », U.S. Navy
  10. (en) Günther Buttmann, The shadow of the telescope: a biography of John Herschel, James Clarke & Co,‎ 1974, 219 p. (présentation en ligne), p. 162
  11. (en) A. J. Lexell, « Recherches sur la nouvelle planete, découverte par M. Herschel & nominee Georgium Sidus », Acta Academia Scientarum Imperialis Petropolitanae, vol. 4,‎ 1783, p. 303–329 (lire en ligne)
  12. a, b, c et d « Alexis Bouvard », Encyclopædia Britannica,‎ 2001
  13. a et b (en)N. Kollerstrom, « A Neptune Discovery Chronology », The British Case for Co-prediction, University College London,‎ 2001
  14. a et b (en)W. Sheehan et al., « The Case of the Pilfered Planet — Did the British steal Neptune? », Scientific American,‎ 2004
  15. a, b, c, d et e (en) R. Hutchins, « Adams, John Couch (1819–1892) », Oxford Dictionary of National Biography, Oxford University Press,‎ 2004 (lire en ligne)
  16. (en) J. C. Adams, On the Perturbations of Uranus, Cambridge, Appendices to various nautical almanacs between the years 1834 and 1854, UK Nautical Almanac Office,‎ 1846 (lire en ligne), p. 265
  17. André Danjon, « Le centenaire de la découverte de Neptune », Ciel et Terre, 62,‎ 1946, p. 369

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Lien externe[modifier | modifier le code]