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ALLIAGE


Alliage, numéro 32, 1998


Des églises, instruments de science




John L. Heilbron



Aux dix-septième et dix-huitième siècles, les cathédrales de Bologne, de Milan, de Florence et de Paris étaient des hauts-lieux d'investigation astronomique. Dans notre langage ampoulé actuel, on les désignerait comme des observatoires solaires à la pointe de la recherche mondiale. Elles servaient d'observatoires solaires car elles permettaient une étude minutieuse et continue des phénomènes solaires ; elles étaient à la pointe de la recherche car les instruments qu'elles abritaient étaient adaptés aux mesures les plus fines et fournissaient des données corrigées selon les meilleures pratiques astronomiques; enfin leur valeur était mondiale car nulle part on ne trouvait des instruments plus précis ou de meilleure qualité. La première des cathédrales-observatoires fut la cathédrale San Petronio à Bologne.

L'héliomètre de San Petronio

L'instrument est composé de deux éléments séparés. Il est dépourvu de partie mobile. Le premier élément est posé au sol. Il s'agit d'une règle graduée parfaitement horizontale et orientée plein Nord. Elle mesure soixante-sept mètres et relie un point d'une chapelle latérale au portail de l'église. L'autre élément est un petit trou de deux centimètres et demi de diamètre percé dans une plaque de métal horizontale sur le toit de la chapelle. Ce trou reste ouvert en permanence de façon à pouvoir laisser passer les rayons du Soleil de midi tout au long de l'année (illustrations num.1 et 2).

L'image lumineuse évolue en taille et en forme au cours de l'année, suivant le même principe que les ombres qui s'allongent l'après-midi. L'illustration num.3 montre le disque solaire GJHI très exagéré et le diamètre PR de l'image du disque projetée dans le plan de la méridienne à travers le trou O. L'image que l'on observe à midi n'est pas un cercle de diamètre PR, mais une ellipse dont le grand axe est orienté le long de la méridienne. Le degré d'ellipticité change radicalement en fonction de l'altitude qu'atteint le Soleil à midi. Lorsqu'il est au plus haut dans le ciel, au moment du solstice d'été de juin, l'image projetée est pratiquement circulaire. Lors du solstice d'hiver en décembre, elle est très ovo•dale. L'illustration num.4 montre ce contraste.

Un texte publié en 1695 à Bologne décrit la rénovation de la méridienne après soixante ans de bons et loyaux services. On y trouve une gravure étonnante qui, dépliée, atteint presque deux mètres de long sur trente centimètres de large (illustration num.5). Le petit cercle au centre du dessin représente l'image grandeur nature projetée par le Soleil au milieu de l'été. La demi-ellipse qui couvre toute la longueur du dessin trace avec exactitude les contours de la moitié de l'image projetée par le Soleil au milieu de l'hiver. Les autres dessins de cette planche sont également dignes d'attention. Le num.8 (l'illustration num.1 dans notre texte) montre la méridienne in situ et les différentes altitudes du Soleil lorsqu'il entre dans chacun des signes du Zodiaque. Pour réussir cette construction, il faut que le rapport entre les rayons des deux cercles verticaux soit égal au sinus de l'obliquité de l'écliptique. On trouve encore sur cette planche inépuisable le fil à plomb utilisé par les constructeurs pour placer le pied de la méridienne à la verticale du trou, l'appareil de mise à l'horizontale de la règle, la jauge avec laquelle on lisait les divisions le long de l'échelle de la méridienne, etc...

Etonnament, la cathédrale San Petronio, bien que construite des siècles avant la méridienne, semble avoir été conçue exprès pour l'accueillir. L'illustration num.6 montre en plan comment la méridienne se glisse tout juste entre deux colonnes imposantes qui soutiennent le toit. La règle graduée devait être orientée Nord-Sud et les piliers ne pouvaient être déplacés: le fait que la structure géométrique de l'église permette sa transformation en un observatoire a pu être pris pour un signe destiné à encourager une entreprise en accord avec l'esprit des lieux. De fait, la seule réserve qu'émirent les autorités religieuses lorsqu'elles donnèrent leur accord fut la crainte que la construction ne s'adapte pas à l'église.

Objectif réel/objectif allégué

Déjà passé maître dans l'art d'obtenir des subventions tel qu'on le pratique aujourd'hui, Cassini avait en main deux raisons de perforer le toit de San Petronio. La première était fondamentale: il la destinait à ses collègues universitaires. L'autre était pratique: elle devait convaincre les responsables du bâtiment. Cette dernière peut être résumée brièvement. Il s'agissait de donner une meilleure valeur de la durée de l'année en comptant les jours et les heures qui séparaient deux mêmes solstices ou équinoxes. Le calcul du jour de Pâques nécessite une valeur exacte de la durée de l'année. Mais le dessein premier et fondamental de Gian Domenico Cassini, constructeur de la méridienne de Bologne, était tout simplement de réformer l'astronomie de fond en comble. La première étape de ce progrès universel passait par un compte-rendu précis des mouvements apparents du Soleil dont dépendaient un grand nombre d'autres quantités astronomiques. Avant de mettre au point sa propre théorie du Soleil, Cassini devait résoudre une controverse d'importance pour les astronomes. Il s'agissait de la question maintes fois rebattue de la bissection de l'excentricité (voir Appendice). Seule sa nouvelle méridienne apporterait une réponse décisive. Inutile de préciser combien la notion de bissection de l'excentricité pouvait laisser perplexes les responsables de l'église.

La communauté des utilisateurs

Les observateurs qui travaillaient à San Petronio étaient, pour la plupart, membres du clergé. Cassini y avait lui-même échappé de peu. Formé à l'école des jésuites, comme presque tous les savants catholiques du dix-septième siècle, il aurait rejoint leurs rangs s'il n'avait été retenu par le scrupule de son manque de vocation. Cela ne l'empêcha pas de recevoir l'appui de l'Eglise et des instructions émanant de son astronome principal, Giovanbattista Riccioli.

Riccioli et son collaborateur Franco Maria Grimaldi (jésuite lui aussi et célèbre dans l'histoire des sciences pour sa découverte de la diffraction optique) commencèrent à travailler à San Petronio dès les débuts de l'observatoire. Leurs observations combinées, qui remplissent environ vingt-cinq pages d'un registre, à raison de quinze observations par page, furent publiée en 1735. Ce fut le fait d'Eustachio Manfredi nommé professeur d'astronomie à Bologne au début du dix-huitième siècle. Chaque article comprenait la description du temps qu'il faisait, la distance qui séparait les limbes du Soleil du pied de la méridienne avec la correction due à la pénombre, et le diamètre apparent du Soleil, le tout donné en secondes de degré d'arc (illustrations num.7 et 8). Le registre de Manfredi, qui court au total sur quatre-vingt ans, a enregistré environ quatre mille cinq cents observations de première main des mathématiciens de Bologne et de leurs assistants. Parmi les collaborateurs de Manfredi, on peut remarquer la présence distinguée de Anders Celsius, connu universellement pour son échelle de mesure de la température ; il passa sept mois à San Petronio en 1733-34.

Le résultat le plus appréciable de ces observations systématiques fut l'adoption par Riccioli de l'analyse des orbites planétaires proposée par Kepler. Elle permirent également à Cassini de faire la part entre les effets de la parallaxe et ceux de la réfraction. Ses tables perfectionnées de ces effets éclairent de nombreuses difficultés qui avaient arrêté les astronomes de l'époque.

Les observations menées à San Petronio eurent un troisième résultat important en fournissant des informations sur l'obliquité de l'écliptique. Pendant des siècles, les astronomes se sont demandé si l'inclinaison de l'axe de la Terre par rapport au plan de son mouvement était une constante. Riccioli pensait que c'était le cas. Cassini pencha pour la négative, puis pour l'affirmative, puis de nouveau pour la négative. Manfredi finit par régler la question, du moins dans le cadre fourni par les observations à San Petronio. Grâce à son volumineux recueil d'observations, il découvrit que l'obliquité avait diminué d'à peine une seconde de degré d'arc par an entre 1656 et 1733. Cette valeur était en fait d'une demi-seconde par an. Quoiqu'il en soit, les observateurs de San Petronio ont eu l'honneur de découvrir et de mesurer les premiers un processus qui, s'il se poursuivait, finirait par supprimer l'existence des saisons dans moins de deux mille siècles

D'autres méridiennes

Aux alentours de 1700, le Pape décida que l'absence d'église-observatoire à Rome constituait une indigence et un affront intolérables. Le but officiel de sa décision de transformer une des églises les plus remarquables de la cité dans l'espoir de concurrencer San Petronio fut, à nouveau, de déterminer les paramètres nécessaires à la réforme du calendrier. La question était d'actualité car les Etats allemands protestants avaient rejeté la réforme grégorienne mais se proposaient d'adopter les usages civils dont elle s'accompagnait, à défaut de sa dimension religieuse. Le pape espérait consolider cette décision en acceptant de reconsidérer les repères sur lesquels Grégoire s'était fondé pour fixer le canon de Pâques. Cassini fut dès le début associé à distance au projet (il était l'une des étoiles de l'université de Paris depuis 1670). Il fit observer qu'une redétermination de l'année n'aiderait pas beaucoup le nouveau calcul. En revanche, une nouvelle église-observatoire complèterait avantageusement celle de San Petronio. Le pape confia l'ouvrage à Francesco Bianchini, érudit en antiques et astronome appartenant à un ordre mineur, qui avait su s'élever dans la hiérarchie ecclésiastique grâce à sa famille, sa chance et son intelligence. On choisit Santa Maria degli Angeli, qui avait été bâtie par Michel-Ange sous un autre pape, afin de créer un lieu de culte chrétien dans les ruines des Thermes de Doclétien. Le bâtiment avait le mérite de jouir d'une vue dégagée vers le Sud. Ses sols et ses murs s'étaient stabilisés depuis longtemps. L'illustration num.8 montre les traits généraux de la méridienne de Bianchini, et quelques-unes de ses particularités, comme son gnomon (autre nom de la méridienne) au Nord et les repères correspondants aux étoiles. Ce gnomon permettait d'observer les étoiles dans la région de l'étoile Polaire grâce à un télescope qui utilisait l'échelle de la méridienne pour mesurer les altitudes. Les repères correspondent à la trajectoire quotidienne l'image de certaines étoiles brillantes. Ils figurent également la trajectoire du Soleil le jour où le pape vint voir l'observatoire achevé. Les ellipses concentriques tracées sous le gnomon Nord indique les déplacements diurnes de l'étoile Polaire à vingt-cinq ans d'intervalle. Elles donnent ainsi une image parlante de la précession des équinoxes.

Vers 1750, un jésuite sicilien nommé Leonardo Ximenes remit en état une méridienne inexacte à l'intérieur du Duomo de Florence (illustration num.9). Le trou était si haut placé que seule une petite portion de la règle graduée de la méridienne, celle qui recevait l'image du Soleil les quelques semaines avant et après le solstice d'été, était contenue dans l'église. En plein hiver, les rayons du Soleil auraient touché le sol bien au-delà du seuil de la cathédrale. Et même la partie correspondant au solstice d'été n'était pas très visible. Les travaux de Ximenes aboutirent à la détermination d'une valeur du taux de décroissance de l'obliquité de l'écliptique, meilleure que celle obtenue par Manfredi.

Au milieu du dix-huitième siècle, l'amélioration des lentilles et de la monture des télescopes en fit des instruments de mesure plus utiles et plus fiables qui supplantèrent les méridiennes. Cependant, on en construisit quelques exemples impressionnants dans des cathédrales italiennes après 1760. Il ne s'agissait plus d'observatoires astronomiques mais de centres chronométriques où les paroissiens pouvaient venir à midi régler leurs montres et leurs horloges. Telle était la fonction de la méridienne du Duomo de Milan, qui est toujours en état de marche. Du fait de l'étroitesse de la cathédrale, le tracé jusqu'au solstice d'hiver remonte sur le mur Nord du bâtiment.

L'Eglise et l'astronomie

Lorsque Cassini et Bianchini construisirent leur méridienne, les travaux de Copernic et de Galilée étaient toujours à l'index, et le jugement de l'Inquisition selon lequel l'héliocentrisme était contraire aux Ecritures, et absurde du point de vue de la philosophie de la nature, était toujours en vigueur. San Petronio devint un observatoire solaire vingt-cinq ans à peine après les déboires de Galilée à Rome. Bologne était pourtant sous l'autorité papale, et Riccioli, l'astronome en chef de l'Eglise qui dirigeait les opérations à San Petronio, ne cachait pas l'hostilité officielle envers les théories de Copernic. Quelle qu'ait été sa position personnelle, il lui fallait rejeter l'idée d'une rotation terrestre car l'Inquisition l'avait condamnée. Cependant Riccioli, Grimaldi et leur protégé (1) Cassini construisirent un instrument et s'en servirent dans l'espoir de montrer que le Soleil suivait le même type de trajectoire autour de la Terre que celui qui avait été décrit pour le mouvement des planètes autour du Soleil par Kepler l'ultra-copernicien. Evidemment, leurs démonstrations ne confirmèrent pas les théories de Copernic, mais elles montrèrent que, du point de vue de la théorie solaire, le Soleil (ou, ce qui revient au même, la Terre), pouvait être traité comme une planète. On peut reprendre la formule laconique de John Flamsteed, premier astronome royal: Cassini a prouvé que "la bissection de l'excentricité du Soleil correspond à la description des coperniciens."

La condamnation qui frappa le systema terrae motae donna du fil a retordre aux astronomes jésuites. Leur enseignement devait rester à la hauteur de leur réputation dans l'Europe catholique et intégrer les nouveautés des philosophes et les dernières tendances des universités. Riccioli connaissait très bien le travail de Copernic et de ses partisans; il lui faisait la part belle dans ses exposés afin, justifiait-il en homme de (mauvaise) foi, que les fidèles sachent ce qu'ils rejetaient et pourquoi ils le faisaient.

Cassini avait les mains plus libres. Mais il se sentait lui aussi obligé d'obéir aux décrets de l'Eglise en laquelle il plaçait une foi inébranlable. Lorsqu'il ne s'agissait que de la Terre et du Soleil, il parlait toujours du mouvement du Soleil, et non de la Terre. Cela n'était pas problématique dans la mesure où la théorie mathématique ne prend pas en compte la question de savoir lequel des deux corps est en mouvement autour de l'autre. Lorsqu'il parlait du mouvement des planètes, cependant, il recourait parfois au vocabulaire copernicien sans se justifier plus avant. Manfredi écrivit un important manuel fondé sur le même principe. Dans les deux cents premières pages, c'est le Soleil qui tourne autour de la Terre; dans les deux cents dernières, ce sont les planètes qui tournent autour du Soleil.

Cette attitude s'exprima de façon significative en 1710, lorsque l'Eglise ne s'opposa pas à la réédition d'une version non-expurgée du Dialogue sur les deux systèmes du monde de Galilée, en dépit de sa condamnation officielle. L'interdit d'ensemble qui pesait sur les thèses héliocentristes disparut de l'Index en 1758, mais elles était toujours réprimées. Un mathématicien du Collegio Romano, à qui on avait refusé l'autorisation de publier des textes d'optique et d'astronomie, en appela finalement avec succès au Pape, qui mit fin à cet état de fait en 1820. L'Eglise avait déjà autorisé de nombreuses réimpressions du Dialogue, tandis que les astronomes catholiques enseignaient le système copernicien depuis des années sans s'attirer d'ennuis.

La création de l'observatoire de San Petronio s'inséra dans le cadre de l'effort des savants catholiques pour suivre et même conduire le développement des sciences exactes et de la philosophie naturelle du dix-septième siècle. Même si leurs travaux confirmaient des thèses condamnées par l'Inquisition, on les laissait tranquilles du moment qu'ils ne cherchaient pas à interpréter leurs découvertes de façon intolérable. On en trouve un exemple dans le cas de Cassini qui s'est rendu compte que les lunes de Jupiter obéissaient aux lois décrites par Kepler, ce qui permettait de faire une analogie parfaite entre elles et les planètes d'une part, et Jupiter et le Soleil d'autre part. Mais, comme le faisait remarquer Flamsteed à Newton: "Il (Cassini) n'en dit rien afin d'être considéré comme un bon catholique." Après la génération de Riccioli, dont la jeunesse avait vu Galilée réduit au silence, les astronomes catholiques avaient trouvé, même en Italie, des moyens de faire avancer la science et d'échanger leurs résultats sans entrer en conflit avec l'Eglise. La hiérarchie ecclésiastique, qu'il s'agisse des évêques, des cardinaux ou des papes, avait généralement adopté une attitude d'indifférence, voire de bienveillance, à l'égard des idées cosmologiques modernes. Les historiens ont en général accordé trop d'attention aux ennuis de Galilée, et pas assez à la façon dont l'Eglise a tenté de se dégager de la position inconfortable dans laquelle elle s'était mise par son refus de l'héliocentrisme.
Je me suis engouffré dans cette brèche et espère en ressortir bient™t avec de nouvelles réponses.


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Traduit de l'anglais par Julie Brumberg-Chaumont

Légendes des illustrations:

Illustration num.1 : La méridienne de San Petronio à Bologne. La construction des points où tombent les rayons du Soleil lorsque l'astre entre dans les différents signes du Zodiaque remonte à Vitruve. Elle repose sur un cercle de rayon R dont le centre correspond au trou percé dans le toit et sur un plus petit cercle, de rayon r = R sin epsilon (e représentant l'obliquité de l'écliptique) centré sur la direction du Soleil à midi lors de l'équinoxe. Tiré de Gian Domenico Cassini, La meridiana del tempio di S. Petronio, Bologne, 1697, Départ. d'astronomie, université de Bologne.

Illustration num.2 : L'image du Soleil d'après-midi à la mi-septembre sur la méridienne de San Petronio. Quelques jours plus tard, au moment de l'équinoxe d'automne, l'image atteint la plaque de marbre transversale inférieure. Tiré de J. L. Heilbron, "Fisca e astronomia nel settecento", in Storia delle scienze II, la scienze fisiche e astronomiche, W. R. Shea éd., Turin, Einaudi, 1992, pp. 318-443 (349).

Illustration num.3 : Schéma de l'image VPUR projetée par le disque solaire GJHI à travers le trou O. NPR correspond à la règle graduée de la méridienne.

Illustration num.4: Diagramme des images projetées par le Soleil aux solstices. Pour que soient respectées les proportions réelles il aurait fallu que le petit axe de la grande ellipse soit réduit de moitié.

Illustration num.5: La planche dépliante montrant les détails de la méridienne de San Petronio. On voit en bas de l'image la règle graduée, ainsi que les plaques de marbre transversales qui indiquent l'emplacement de l'image du Soleil de midi lorsqu'il entre dans les différents signes du Zodiaque. La dernière plaque à gauche correspond au "zénith" de la méridienne, c'est-à-dire au point qui se trouve à la verticale exacte du trou. Tiré de G. D. Cassini, op. cit.

Illustration num.6: Un dernier détail qui montre comment la méridienne se glisse tout juste entre les deux piliers de soutènement de la nef

Illustration num.7: La page de garde du recueil d'Eustachio Manfredi contenant des données issues de l'observation du Soleil de midi à San Petronio sur plus de soixante-dix ans.

Illustration num.8 : La méridienne de Santa Maria degli Angeli à Rome. Le Sud est à droite. Remarquez les rayons du Soleil de midi venant de droite et ceux de l'étoile Polaire venant de gauche. Se reporter au personnage de l'illustration num.1 qui observe à l'aide d'un télescope sous la seconde arche en partant du Nord. Tiré de Francesco Bianchini, Ennaratio ... de nummo et gnomone Clementino, Rome, 1703.


Notes:

1. en français dans le texte

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