LA SPHERE ARMILLAIRE
La
sphère armillaire est devenue le symbole emblématique de l'astronomie, et de la
connaissance.
Le
Portugal en a même fait son emblème national associée aux grandes découvertes
que fit ce pays aux XVe et XVIe siècles.
Images
de sphères armillaires dans l'art manuélin au Portugal, en suivant ce lien :
La sphère armillaire, emblème du Portugal
La
sphère armillaire est un instrument très ancien, correspondant à la vision
grecque de l'Univers, et qui a traversé les siècles sans modification notable.
Description d'une sphère armillaire
Jusqu'au
XVIe siècle, la sphère armillaire représente l'Univers selon le
modèle géocentrique de Ptolémée. Cette figuration est celle "des
apparences", c'est à dire telle que l'Univers nous apparaît quand on
observe depuis la Terre. Chaque anneau (armilla en latin) correspond à
un grand cercle du Ciel.
· La Terre est fixe au centre de l'Univers.
· Les astres (Soleil, lune, étoiles...) semblent se situer sur une
grande sphère (sphère céleste) qui tourne autour de la Terre en
24 heures.
· L'axe de rotation de la sphère céleste passe à proximité de l'étoile
polaire (pôle nord céleste), dans le prolongement du rayon
terrestre passant par le pôle nord terrestre.
Le
prolongement de l'équateur terrestre, donne, sur la voûte céleste, l'équateur
céleste.
· Sur la sphère céleste, le Soleil semble se déplacer, au cours de
l'année, par rapport aux étoiles. Son trajet annuel apparent est le cercle de l'écliptique.
· La couronne horizontale extérieure est fixe. Elle correspond à l'horizon
local. Une graduation sur l'anneau qui lui est fixé verticalement
correspond, en degrés, aux angles de hauteur.
Origines de la sphère armillaire
La
sphère armillaire remonte à l'Antiquité grecque mais il est difficile de
préciser son apparition. "L'origine de la sphère semble se perdre dans
l'obscurité des temps, et se cacher sous le voile de la fable" lit-on
dans un Usages de la Sphère du début du XIXe siècle. Lalande
dans son Abrégé d'Astronomie (édition de 1775) prétend que "l'invention
de la sphère armillaire, est certainement aussi ancienne que celle de
l'astronomie même. On l'attribue à Atlas, que l'on croit avoir vécu 1600 ans avant
Jésus-Christ […] mais il est plus naturel de croire qu'elle vint de Babylone ou
de l'Egypte.". Ceci semble excessif dans la mesure où les anciens
grecs, les Pythagoriciens en particulier, sont les premiers à prendre la sphère
comme "forme type" de représentation des Cieux et de la Terre, pour
des raisons d'abord plus esthétiques et philosophiques (forme
"parfaite"), que scientifiques.
Le
modèle géocentrique de l'Univers, sous forme de sphères concentriques sur
lesquelles sont entraînées les planètes, jusqu'à la sphère des étoiles fixes, a
été énoncé par Platon (427–347 av. J.-C.), formalisé par Eudoxe
(vers 370 av. J.-C.), repris par Aristote (384–322 av. J.-C.), puis
affiné sur la base d'observations par Ptolémée (vers 150 ap. J.-C.).
Dans sa Grande Syntaxe mathématique, qui nous est parvenue par les
Arabes sous le nom d'Almageste, Ptolémée expose le système
géocentrique, fournissant une théorie des mouvements planétaires, conforme aux
observations, une liste de 1022 étoiles, des calculs sur les distances du
Soleil et de la Lune, les éclipses, ainsi que la description des instruments
astronomiques employés. Ce modèle, parfois légèrement retouché au Moyen Age,
est unanimement admis jusqu'à la fin du XVIème siècle et sert de
base au calcul des tables astronomiques.
Un
passage du Timée de Platon semble indiquer qu'au IVe
siècle av. J.-C. des "maquettes" de ces combinaisons de sphères
existent déjà : "décrire les danses de ces mêmes corps célestes, […]
montrer lesquelles se font l'une à l'autre écran et au bout de quel temps
chacune se cache à nos yeux pour de nouveau reparaître, provoquant ainsi
l'effroi et fournissant des présages sur les évènements à venir aux gens qui ne
sont point capable de les prévoir grâce au calcul, expliquer tout cela, ce
serait peine perdue, si on n'avait pas sous les yeux une représentation
mécanique des mouvements considérés."
Géminos de Rhodes, vers 70 av. J.-C., dans son Introduction aux Phénomènes, donne
une description de la sphère armillaire comme modèle du monde et montre le
large usage que l'on faisait alors, pour l'enseignement et la recherche, de ces
représentations matérielles du monde que sont le globe céleste, la sphère
armillaire et le globe terrestre. Géminos est bien conscient de la
simplification que représentent ces modèles quand il nous dit : "Gardons-nous
de supposer que toutes les étoiles sont situées sur la même surface : les
unes sont plus élevées, les autres plus basses, mais, du fait que la vue ne
porte que sur une distance donnée, la différence de hauteur reste
imperceptible".
Une
branche particulière de la mécanique, la sphéropée, traitait de la
fabrication des sphères, en imitation du mouvement circulaire des astres. Archimède
(287–212 av. J.-C.) écrivit un traité de la sphéropée (perdu) et Cicéron
rapporte que l'on pouvait voir à Rome, rapportée de Syracuse, une sphère
armillaire, "qui paraissait pour le chef-d'œuvre d'Archimède",
reproduisant les mouvements du Soleil, de la Lune et des cinq planètes.
Certains de ces planétaires pouvaient être mus par la force hydraulique.
C'est
chez Ptolémée que l'on trouve la première description de la sphère
armillaire d'observation, désignée par astrolabos ("preneur
d'étoile" en grec).
Usages de la sphère
La
sphère armillaire n'est pas qu'une simple représentation, c'est un véritable
instrument qui, son histoire l'a montré, possède un double aspect : instrument
plutôt pédagogique (maquette du fonctionnement du Monde) et instrument de
mesure (sphère telle que l'a utilisée Ptolémée).
· Le plus souvent la sphère constitue un instrument de représentation de
l'Univers dont elle aide à la compréhension et ne permet que quelques calculs,
comme celui de l'heure du lever du Soleil ou de changements de coordonnées sans
recours à la trigonométrie (avec l'aide éventuelle d'un compas à pointes
sèches). Lorsqu'elle est orientable (munie d'une boussole), les cercles de
référence (méridien, équateur) étant alors positionnés parallèlement aux
cercles "réels", la sphère permet de déterminer l'heure ou la
direction approximative d'un astre.
Dans
la préface à l'Institution astronomique de l'usage des globes et sphères,
céleste et terrestre de Guillaume Blaeu (édition de 1642), on trouve
l'avertissement suivant :
"Bien que l'entendement humain soit si
excellent qu'ayant la vue pour guide, et la raison pour compagne, il puisse
sans grande difficulté voler jusqu'au ciel, avec ces deux ailes de Platon,
l'Arithmétique et la Géométrie, et là observer comme s'il était présent, les
admirables révolutions des étoiles ; toutefois il arrive presque ordinairement,
qu'il n'en puisse acquérir aucune science certaine sans l'aide des mains,
ni expliquer aux autres la manière des mouvements célestes sans avoir
continuellement devant ses yeux des instruments qui lui représentent la figure
du ciel. Et pour cette cause voyons nous que de toute antiquité des excellents
personnages se sont soigneusement adonnés à exprimer avec des instruments
mécaniques les préceptes de l'Astronomie, et les lois des mouvements célestes
qu'ils avaient appris par plusieurs observations, s'étudiant à proposer aux
nouveaux apprentis en une manière visible et palpable les secrets de
cette science, dans laquelle ils avaient pénétré par la force et subtilité de
leur esprit, confirmé par une longue expérience."
Jérôme Lalande dans son Abrégé d'Astronomie affirme que "les problèmes
que l'on peut résoudre par le moyen d'un globe ou d'une sphère, ne sont pas de
simples exercices d'amusement ; il faudrait à la vérité, pour y trouver quelque
exactitude, avoir un globe très grand, tourné avec soin, encore devrait-on
préférer le calcul trigonométrique dont nous parlerons dans le livre suivant ;
mais en étudiant pour la première fois les principes de l'astronomie, il est
très utile de s'exercer sur le globe ou la sphère armillaire, pour en bien comprendre
les mouvements et pouvoir les rapporter sans peine aux objets célestes."
La
sphère armillaire démontra ainsi aux Grecs, par des moyens expérimentaux, des
vérités surprenantes et inaccessibles (à l'équateur, les jours et les nuits ont
toujours la même durée, aux pôles, l'année se réduit à un seul jour et une
seule nuit de 6 mois…), confirmant les récits les plus invraisemblables des
voyageurs tels que Pythéas vers 330 av. J.-C.
· Pour être un instrument d'observation et de mesure, la sphère armillaire
doit être équipée d'éléments de visée (des pinnules), et être de bonne
dimension.
Elle
permet alors, par visée des astres, de mesurer leurs coordonnées locales ( coordonnées
horizontales que sont l'angle de
hauteur entre l'horizon et le zénith, et l'angle d'azimut, sur l'horizon par
rapport à la direction du Sud) puis d'obtenir d'autres coordonnées par simple
lecture des graduations figurant sur les cercles ou en utilisant un compas (les
coordonnées équatoriales que sont l'angle de déclinaison entre l'équateur
et le pôle, et l'ascension droite, angle mesuré sur l'équateur par rapport au
point g choisi pour définir le
méridien origine ; ou les coordonnées écliptiques que sont l'angle de
latitude céleste entre l'écliptique et les pôles de l'écliptique, et la
longitude céleste, mesurée sur l'écliptique à partir du point g ). C'est ce type de sphère qu'utilisa Ptolémée
pour constituer le catalogue d'étoiles figurant dans l'Almageste :
Extraits de l'Almageste
Livre V, chapitre I :
"Notre astrolabe [sphère armillaire]
étant mis […] perpendiculairement au plan de l'horizon, et dressé suivant la
hauteur du pôle pour l'habitation terrestre supposée, et tout à la fois
parallèlement au plan du méridien naturel, les cercles intérieurs peuvent
tourner autour des pôles de l'équateur d'orient en occident, conformément au
premier mouvement de l'univers."
Livre VII, chapitre IV :
"En nous servant donc encore du même
instrument, dont les cercles tournent autour des pôles de l'oblique, nous avons
observé autant d'étoiles qu'il nous a été possible d'en apercevoir, jusqu'à
celles de sixième grandeur.
[…] Nous pointions l'autre [cercle] qui est
gradué […] vers l'étoile qui était l'objet de notre observation, jusqu'à ce que
nous l'aperçussions par les trous des pinnules de ce second cercle."
On
pratiquait de même, avec de telles sphères armillaires utilisées pour
l'observation et la mesure, au XIIIe siècle à l'observatoire de Maragha
(Azerbaïdjan) avec Nasir al-Din al-Tusi, au XVe siècle à Samarkand
avec Ulugh Beg et al-Kashi, ainsi qu'à Nuremberg avec Regiomontanus,
puis au XVIe siècle avec Tycho Brahé.
Evolution de la sphère armillaire
Le
traité d'astronomie le plus populaire du Moyen-Age est la Sphère de
Sacrobosco, sorte d'abrégé de l'Almageste, dont la première édition date du
XIIIe siècle. Dans les éditions imprimées de cet ouvrage commencent
à apparaître régulièrement des images de sphère armillaire. Tels qu'ils
apparaissent, ces premiers modèles de sphère semblent fixes et sont sans
horizon, donc d'un usage très limité. La sphère armillaire est un objet
fragile, de sorte que les plus anciennes sphères armillaires qui nous sont
parvenues datent seulement du milieu du XVe siècle. La plus ancienne
sphère armillaire mobile et munie d'un horizon qui nous soit parvenue date
d'environ 1425 et est visible au Museum for the History of Science d'Oxford.
A
mesure que se perfectionneront les connaissances, la sphère armillaire se
compliquera parfois d'anneaux supplémentaires, concentriques et mobiles,
figurant les orbes des planètes et les excentriques qui les concernent.
Avec
Tycho Brahé, les instruments astronomiques parviennent à une perfection
inégalée, avec des dimensions gigantesques, permettant des observations d'une
précision jamais atteinte, sur la base desquelles Kepler pourra établir
ses lois des mouvements planétaires. Il installe dans son observatoire de Stellaborg,
fondé en 1584 sur l'île danoise d'Hven avec le soutien financier du roi Frederic
II dont il est l'astrologue, des sphères armillaires d'observation, fixes,
atteignant un diamètre de 3 à 9 coudées (la coudée utilisée par Tycho Brahé
serait d'environ 39 cm, ce qui donne des diamètres de 1,17 m à 3,51 m).
Dans
son ouvrage Mécanique de l'Astronomie rénovée[1],
publié en 1598, alors qu'il a quitté le Danemark, il donne la
description de ces instruments magnifiques, aujourd'hui disparus.
Au très Auguste Empereur
RODOLPHE DEUX
Préface de Tycho Brahé
L'Astronomie, science très ancienne, concédée
par une faveur divine au genre humain depuis Adam le premier homme, et de loin
très éminente, certes dans la mesure où les choses Célestes et sublimes
surpassent ces choses terrestres et inférieures, cette Divine Astronomie,
dis-je, tirant son origine des sens eux-mêmes des yeux remarquant les
vicissitudes errantes des astres, autant que du côté des choses extérieures,
dès le fondement des choses avec beaucoup de temps, excita et les génies et les
intelligences des hommes les plus distingués. […] En vérité puisque le seul
regard oculaire ne pouvait prendre avec cette subtilité et exactitude qui était
nécessaire à tous ces mystères du théâtre Céleste et les variétés apparentes
embrouillées au delà de la façon d'admirer, des Maîtres variés dans tous les
siècles imaginèrent les intermédiaires et les instruments par lesquels la vue
serait aidée pour percevoir les mouvements cachés des Astres. […] Car cela est
le principal de tout, que de nombreuses et longues observations venant du Ciel
soient prises dans des Instruments Astronomiques opportuns et non sujets à
l'erreur, qui ensuite sont mises en ordre au moyen de la Géométrie par des
Hypothèses imaginées convenant aux quantités continues et au mouvement
circulaire et uniforme (que Naturellement les choses Célestes et recherchent et
poursuivent sans interruption) ; assurément au moyen de l'Arithmétique dans les
quantités discrètes pour que les révolutions et les lieux des corps Célestes
soient certains aux temps que tu veux. En vérité parmi tous ceux qui travaillèrent
activement à cette chose, du moins les observations qui parviennent par là
jusqu'à nous, furent notées par Timocharis, Hipparque, Ptolémée, Albategni, le
Roi Alphonse[2], et au
siècle précédent par Copernic bien que les enseignements des deux précédents sur
ces choses dépendent de la relation de Ptolémée. En tout cas, il est évident de
leurs écrits, qu'assurément ceux-ci utilisèrent le plus possible quelques
Instruments pour mesurer les Phénomènes des Astres. Et parmi ceux-ci, je trouve
ces trois principaux : les Règles Parallactiques, les Armilles Zodiacales,
[l'instrument] à Tourner qui était plutôt en usage chez les Arabes (l'Astrolabe
plan) ; les autres sont de plus petite importance.[…] C'est pourquoi
réfléchissant pour moi extrêmement avec attention dès l'Adolescence, […] j'eus
soin ensuite que les Instruments Astronomiques fussent construits
successivement avec un soin et avec une dépense incroyables, avec lesquels il
fut permis de scruter les apparences des Astres plus exactement qu'il fut
souvent fait par nos prédécesseurs (que l'envie soit absente de cette parole).
[…]
LES ARMILLES ZODIACALES
Les Instruments précédents[3]
examinent surtout pour cela, afin que les Hauteurs et les Azimuts, soit
séparément, soit conjointement, soient observées pour les choses venant d'en
haut. En vérité parce que la déduction particulière de ceux-ci dans la pratique
Astronomique, sous le rapport du calcul, a besoin des Triangles[4],
non facilement accessible pour tous et fastidieuse en soi pour certains évitant
le travail, d'autres machines ont été inventées avec lesquelles sont obtenues
les longitudes et les latitudes des étoiles qui sont les deux principalement
recherchées soigneusement, et qui peuvent être obtenues par le plus petit
travail sans calcul gênant ; parmi lesquelles je découvre que deux ont été
principalement en usage chez les anciens, dont une qu'ils appelaient Instrument
Armillaire, lequel était en usage chez Hipparque et chez Ptolémée. Et pour
cette raison cette dénomination fut choisie par eux. L'autre a été nommée
Instrument à tourner, Instrument inventé par les Arabes ou les Chaldéens (comme
je crois) et employé par eux. Et celui-ci assume les mêmes choses dans les
surfaces planes circulaires que le premier dans les Armilles. […]
En vérité, il est possible que cet Instrument
Armillaire soit propre à mesurer rapidement et avec facilité les lieux des
étoiles, et il [a été] construit par nous selon la forme indiquée, afin qu'il
permette moins qu'antérieurement que les Armilles qu'il contient vacillent hors
du plan dû ; cependant il n'évite même pas cela exactement ainsi, au point
qu'une erreur d'une minute d'un côté ou de l'autre ne puisse se glisser parce
que l'Armille Zodiacale n'est pas tournée partout en équilibre, mais par son
poids s'éloignerait quelque peu des autres hors du plan et cela de diverses
façons. Et il est de fait que nous nous servons plus rarement de telles
Armilles, surtout lorsque la plus grande précision est requise. Bien plus, nous
avons plutôt imaginé d'autres Armilles Equatoriales non sujettes à ce défaut.
[…]
LES ARMILLES EQUATORIALES
Nous avons aussi inventé certaines Armilles
Equatoriales qui, disposées en équilibre d'un côté de l'autre de l'Axe des
Pôles, ne sont tirées vers ni l'une ni l'autre partie par leur poids ou le
déplacement en rotation, ou ne peuvent être éloignées du plan des Cercles
qu'elles représentent, de la loi exacte.[…] Et il y a seulement trois Armilles
avec un certain axe cylindrique, qui mesurent tant les distances équatoriales
des astres que les déclinaisons. La première de celles-ci et la plus grande […]
a presque quatre coudées dans le diamètre.
Au
milieu du XVIIe siècle, la sphère armillaire a perdu son caractère
d'instrument d'observation pour le savant, mais elle est encore très employée
pour l'étude et l'enseignement. A partir de cette époque, des sphères
armillaires de "démonstration" sont construites selon le modèle
héliocentrique de Copernic mais le modèle géocentrique reste mieux
adapté à l'observation et au repérage des astres. Guillaume Blaeu
(1571-1638), célèbre fabricant de globes hollandais publie une Institution
astronomique de l'usage des globes et sphères, céleste & terrestres,
comprise en deux parties, l'une, suivant l'hypothèse de Ptolémée, qui veut que
la terre soit immobile ; l'autre, selon l'intention de N. Copernicus, qui tient
que le terre est mobile :
"J'ai donc compris en ce livre, en deux
parties distinctes l'usage de ces instruments là. En la première, je traite de
l'usage des Globes vulgaires, par la terre immobile, suivant l'hypothèse de
Ptolémée ; en la seconde de l'usage des nouvelles sphères, construites selon
l'intention de Copernicus avec la terre mobile. J'ai suivi cet ordre, tant à
cause que je voyais que l'opinion de Copernicus est plus difficile à comprendre
que celle de Ptolémée, que les ignorants y trouvent moins de vraisemblance, et
qu'elle requiert des méditations plus profondes ; que parce qu'après qu'on a
bien compris celle de Ptolémée, on trouve moins de difficulté en
celle-ci."
La
sphère devient un instrument de bibliothèque comme le globe céleste et
terrestre. Cependant Jean-Dominique Cassini (1625-1712), directeur de
l'observatoire de Paris, en renouvellera l'usage pour l'observation, en
l'animant d'un mouvement d'horlogerie et en équipant un de ses grands cercles
d'une lunette optique, créant ainsi la première lunette équatoriale, permettant
l'observation, tout en suivant le mouvement du Monde autour de l'axe polaire.