Observer le passage de Vénus: pourquoi? J.-E. Arlot Directeur de recherche du CNRS.

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1 Observer le passage de Vénus: pourquoi? J.-E. Arlot Directeur de recherche du CNRS

2 2 Vénus 2004

3 3Vénus En Mésopotamie : Innana en sumérien, fille du dieu Lune Sîn et sœur jumelle du dieu Soleil Shamash, déesse de l’amour et de la guerre. Héraclide (387 - 312 av J.C.) pense que Vénus et Mercure tournent autour du Soleil (et que la Terre tourne sur elle-même). Étoile du berger, elle est visible le soir Hespéros (Lucifer) ou le matin Phosporos (Vesper). En Grèce : Aphrodite, fille de Zeus et de Dioné dans l’Iliade, ou née de l’écume de la mer (écume = aphros). Épouse d’Héphaïstos (celui qui brille pendant le jour - Vulcain) forgeron des dieux, le fils difforme et boiteux d’Héra. Déesse de l’amour, de la beauté et de la guerre.

4 4 Vénus Deuxième planète du système solaire

5 5 Vénus: la sœur de la Terre

6 6 Vénus: une surface observée par radar

7 7 Vénus: un lieu inhospitalier

8 8 La sphère céleste et la mesure des distances La vision du ciel nocturne peut nous laisser croire que tous les astres sont à la même distance de la Terre: la mesure de leur distance est l’un des problèmes les plus anciens.

9 9 La mesure des distances La parallaxe ou triangulation ou comment mesurer la distance à un objet sans se déplacer…

10 10 Un triangle difficile à mesurer

11 11 La mesure des distances Un modèle de système solaire : Ptolémée (distance Terre-Soleil ~ 8 millions de km)

12 12 Les lois de Képler Les lois de Képler: un modèle empirique de système solaire: Première loi -Les orbites des planètes sont des ellipses dont l’un des foyers est le Soleil Deuxième loi -Les aires décrites par le rayon vecteur en des temps égaux, sont égales

13 13 L’importance de la troisième loi de Képler Kepler (1571-1630) Troisième loi: )le cube du demi grand axe d’une planète divisé par le carré de sa période de révolution (a3/t2 ) est une constante pour toutes les planètes Ainsi, si on connaît une distance entre deux planètes, on connaît toutes les autres, et de là, la distance des étoiles et des galaxies

14 14 Le XVII ème siècle: vérifier le modèle de Kepler P. Gassendi 1592 - 1655 La première observation d'un passage sera celle de Mercure par Pierre Gassendi à Paris en 1631: les lois de Képler sont vérifiées… Il écrit à son ami Wilhelm Schickard, professeur à Tübingen : "Le rusé Mercure voulait passer sans être aperçu, il était entré plutôt qu'on ne s'y attendait, mais il n'a pu s'échapper sans être découvert, je l'ai trouvé et je l'ai vu; ce qui n'était arrivé à personne avant moi, le 7 novembre 1631, le matin".

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16 16 J. Horrocks (1619-1641) Né à Liverpool dans un milieu très modeste Éducation élémentaire et largement autodidacte En 1635 (il a 16 ans!) il applique les lois de Kepler au mouvement de la Lune Il fait le calcul de prédiction des passages de Vénus et prévoit celui de 1639 Il observe le passage de 1639 Il meurt le 3 janvier 1641 à 22 ans.

17 17 Les observations d’Horrocks (Venus in Sole Visa) Il effectue trois mesures à la hâte avant le coucher du Soleil tdistance (") 3h15864 3h35810 3h45780 3h50Coucher Diamètre de Vénus: 1' 16"

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19 19 Parallaxe de Vénus : méthode de Halley a a b b c c Les positions relatives des cordes donnent la parallaxe de Vénus On remplace une mesure d'angle par une mesure de temps En 1716, Halley propose une méthode de mesure de l’univers … Mais les passages de Vénus sont rares: rien entre 1639 et 1761…

20 20 Quand peut-on observer les passages de Vénus ? Si Vénus et le Soleil sont parfaitement alignés, Vénus apparaît sur le disque solaire comme dans le cas d’une éclipse partielle de Soleil par la Lune (durée ~ 8 heures) Ces passages sont très rares : - -derniers en 1874-1882 - -prochains en 2004 - 2012, puis en 2117 Seul celui de 2004 est complètement visible depuis la France Mercure passe plus souvent devant le Soleil (cf. mai 2003) mais est plus difficile à observer avec une parallaxe plus faible

21 21 Le XVIII ème siècle: mesurer l’univers Les longitudes sont mal connues. Les horloges ne conservent pas le temps. Les voyages sont lents (navigation à voile) Les voyages sont très onéreux. Personne n’a l’expérience de l’observation d’un passage de Vénus.

22 22 Visibilité du passage du 6 juin 1761 Projection de Hammer

23 23 Le voyage de Chappe d’Auteroche

24 24 Récit de voyage de Le Gentil

25 25 Le voyage de Le Gentil

26 26 Le passage du 6 juin 1761 Quelques expéditions organisées par la Grande-Bretagne Nevil Maskelyne (1732-1811) partit à Sainte-Hélène où il ne pût observer à cause des nuagesNevil Maskelyne (1732-1811) partit à Sainte-Hélène où il ne pût observer à cause des nuages Charles Mason (1728-1786), James Bradley et Jeremiah Dixon (1733-1779) partirent à Bencoolen (Sumatra), mais ne purent observer car les Français prirent la ville. Ils revinrent observer au Cap.Charles Mason (1728-1786), James Bradley et Jeremiah Dixon (1733-1779) partirent à Bencoolen (Sumatra), mais ne purent observer car les Français prirent la ville. Ils revinrent observer au Cap..

27 27 Observation de 1761 à Sainte-Hélène et à Sumatra

28 28 Le passage de 1761: la guerre de 7 ans (1756-1763)

29 29 Résultats du passage de 1761 120 observateurs sur 62 sites120 observateurs sur 62 sites la plupart des sites avaient été sélectionnés par Halley (Bencoolen, Pondichéry, Batavia) en 1716. la plupart des sites avaient été sélectionnés par Halley (Bencoolen, Pondichéry, Batavia) en 1716. La mesure était trop imprécise: pourquoi? - La longitude des sites d’observation était mal connue - l’inexpérience des observateurs avait entraîné une imprécision de la détermination des contacts. 8.5" < parallaxe < 10.5" Résultats décevants : aucune amélioration par rapport à la mesure de la parallaxe de Mars.

30 30 Visibilité du passage de 1769

31 31 Expéditions organisées pour le passage de 1769

32 32 Le Passage de Vénus des 3-4 juin 1769 Les Français Le Gentil resté à Madagascar, se rendit d'abord à Manille, puis à Pondichéry où un nuage fatal le priva de l'observation Le Gentil resté à Madagascar, se rendit d'abord à Manille, puis à Pondichéry où un nuage fatal le priva de l'observation Chappe accompagné de l'ingénieur géographe Pauly, du dessinateur Noël et de l'horloger Dubois ainsi que deux astronomes espagnols Vicente de Doz et Salvador de Medina se rendit en basse Californie sur la côte ouest du Mexique, près du Cap Lucas dans une mission espagnole portant aujourd'hui le nom de San José del Cabo. Chappe accompagné de l'ingénieur géographe Pauly, du dessinateur Noël et de l'horloger Dubois ainsi que deux astronomes espagnols Vicente de Doz et Salvador de Medina se rendit en basse Californie sur la côte ouest du Mexique, près du Cap Lucas dans une mission espagnole portant aujourd'hui le nom de San José del Cabo. L'observation du passage par Chappe et ses collaborateurs fut un succès, L'observation du passage par Chappe et ses collaborateurs fut un succès, Ils succombèrent à une épidémie de typhus qui décima les trois quarts de la population, seul Pauly survécu à l'épidémie. Ils succombèrent à une épidémie de typhus qui décima les trois quarts de la population, seul Pauly survécu à l'épidémie.

33 33 Le Passage de Vénus des 3-4 juin 1769 Les Anglais En novembre 1767, un comité spécial fut créé pour préparer l'observation du passage de 1769. Ce comité décida d'envoyer trois équipes d'observateurs. Une première équipe d'observateurs, formée de Dymond et Wales, se rendit à Fort Churchill dans la Baie d'Hudson. Une première équipe d'observateurs, formée de Dymond et Wales, se rendit à Fort Churchill dans la Baie d'Hudson. Une seconde équipe, formée par le père Maximilen Hell, assisté par l'astronome danois C. Horrebow et par un jeune botaniste Borgrewing, devait se rendre à Vardö, une petite île au nord de la péninsule scandinave. Une seconde équipe, formée par le père Maximilen Hell, assisté par l'astronome danois C. Horrebow et par un jeune botaniste Borgrewing, devait se rendre à Vardö, une petite île au nord de la péninsule scandinave. La troisième équipe devait se rendre dans les îles des mers du sud comme l'avait suggéré Thomas Hornsby. Cette dernière expédition, servit également à explorer les mers du Sud et fut confiée à James Cook, l'observation du passage de Vénus devant être faite à Tahiti, îles découvertes deux ans plus tôt par Samuel Wallis. L'observation à Tahiti fut faite par Charles Green et James Cook. La troisième équipe devait se rendre dans les îles des mers du sud comme l'avait suggéré Thomas Hornsby. Cette dernière expédition, servit également à explorer les mers du Sud et fut confiée à James Cook, l'observation du passage de Vénus devant être faite à Tahiti, îles découvertes deux ans plus tôt par Samuel Wallis. L'observation à Tahiti fut faite par Charles Green et James Cook.

34 34 Observation de Green et Cook à Tahiti

35 35 Le passage de 1769: Cook à Tahiti « Cap Vénus »

36 36 Résultat du Passage de Vénus des 3-4 juin 1769 151 observations professionnelles, réparties sur 77 sites.151 observations professionnelles, réparties sur 77 sites. Auteur(s) Valeurs William Smith 8,6045" (1770) Thomas Hornsby 8,78" (1770) Pingré et Lalande 9,2" et 8,88" (1770) Pingré 8,80 (1772) Lalande 8,55"< P < 8,63" (1771) Planmann 8,43 (1772) Hell 8,70" (1773/1774) Lexell 8.68" (1771) et 8,63" (1772) Auteur(s) Valeurs William Smith 8,6045" (1770) Thomas Hornsby 8,78" (1770) Pingré et Lalande 9,2" et 8,88" (1770) Pingré 8,80 (1772) Lalande 8,55"< P < 8,63" (1771) Planmann 8,43 (1772) Hell 8,70" (1773/1774) Lexell 8.68" (1771) et 8,63" (1772) 8,43" < parallaxe < 8,80 " c’est une nette amélioration par rapport aux valeurs obtenues après le premier passage qui donnaient une parallaxe comprise entre 8,28 et 10,60". 8,43" < parallaxe < 8,80 " c’est une nette amélioration par rapport aux valeurs obtenues après le premier passage qui donnaient une parallaxe comprise entre 8,28 et 10,60".

37 37 L’observation de Lalande à Paris

38 38 Le XIX ème siècle: la technique triomphe On sait bien déterminer la longitude d’un lieu (télégraphe). On possède de bonnes horloges transportables. Les moyens de communication sont plus rapides (vapeur, canal de Suez). Les expéditions sont toujours très onéreuses. Une nouvelle méthode d’observation : la photo (Daguerréotype) On a l’expérience écrite de l’observation d’un passage de Vénus devant le Soleil. Une troisième méthode de mesure de la parallaxe : 1-Méthode de Halley : On compare les durées des passages => supprime le problème de la longitude. 2-Méthode de Delisle : On compare les instants des contacts => on doit connaître la longitude des lieux. 3-Mesure de la trajectoire et de la position du centre du Vénus sur le disque solaire. Une troisième méthode de mesure de la parallaxe : 1-Méthode de Halley : On compare les durées des passages => supprime le problème de la longitude. 2-Méthode de Delisle : On compare les instants des contacts => on doit connaître la longitude des lieux. 3-Mesure de la trajectoire et de la position du centre du Vénus sur le disque solaire.

39 39 Le passage du 9 décembre 1874

40 40 Les Observateurs Les Français : Trois dans l'hémisphère boréal comportant : Une expédition en Chine à Pékin dirigée par Fleuriais. Une expédition en Chine à Pékin dirigée par Fleuriais. Une expédition au Japon confiée aux astronomes J. Janssen et F. Tisserand. Une expédition au Japon confiée aux astronomes J. Janssen et F. Tisserand. Une expédition en Indochine à Saïgon dirigée par Héraud. Une expédition en Indochine à Saïgon dirigée par Héraud. Trois dans l'hémisphère austral comportant : Une expédition à l'île Campbell confiée à Bouquet de la Grye. Une expédition à l'île Campbell confiée à Bouquet de la Grye. Une expédition à l'île Saint-Paul confiée au commandant Mouchez. Une expédition à l'île Saint-Paul confiée au commandant Mouchez. Une expédition en Nouvelle Calédonie à Nouméa confiée à André. Une expédition en Nouvelle Calédonie à Nouméa confiée à André. Les Anglais sous la direction de l'astronome royal Sir George Airy organisèrent cinq expéditions réparties sur huit stations d'observations : Une en Égypte à Alexandrie. Une en Égypte à Alexandrie. Une à l'île Rodrigues (devenue anglaise). Une à l'île Rodrigues (devenue anglaise). Une en Nouvelle Zélande à Christchurch. Une en Nouvelle Zélande à Christchurch. Deux aux îles Kerguelen à Port Christmas au site de la Baie de l'Observatoire et à Port Palliser. Deux aux îles Kerguelen à Port Christmas au site de la Baie de l'Observatoire et à Port Palliser. Trois aux îles Sandwich (actuellement archipel d'Hawaii) à Honolulu, à Owhyhee et à Atoui. Trois aux îles Sandwich (actuellement archipel d'Hawaii) à Honolulu, à Owhyhee et à Atoui. À ces expéditions il convient d'ajouter l'expédition privée de Lord Lindsay à l'île Maurice. À ces expéditions il convient d'ajouter l'expédition privée de Lord Lindsay à l'île Maurice. Les Anglais : En Russie le phénomène fut visible et observé depuis 24 stations réparties sur une grande partie du territoire allant de la mer du Japon jusqu'à la mer Noire. En Russie le phénomène fut visible et observé depuis 24 stations réparties sur une grande partie du territoire allant de la mer du Japon jusqu'à la mer Noire. Deux allemandes, une à l'île Maurice et l'autre au Kerguelen (l'Anse Betsy). Deux allemandes, une à l'île Maurice et l'autre au Kerguelen (l'Anse Betsy). Une expédition américaine au Kerguelen. Une expédition américaine au Kerguelen. Les autres :

41 41 Observation de Russell à Sydney

42 42 L’Observation à St-Paul Fin juillet 1874 : départ de Paris. Fin juillet 1874 : départ de Paris. Le 2 août embarquement sur le paquebot l’Amazone. Le 2 août embarquement sur le paquebot l’Amazone. Le 9 août début de la traversée du Canal de Suez. Le 9 août début de la traversée du Canal de Suez. Le 14 août arrivée à Aden en Mer Rouge. Le 14 août arrivée à Aden en Mer Rouge. Changement de navire (Dupleix ) et départ vers la Réunion où ils arrivent le 30 août (Saint-Denis). Nouveau changement de navire : la Dives. Le 8 septembre départ vers St-Paul où ils arrivent le 22 au matin. Le 8 septembre départ vers St-Paul où ils arrivent le 22 au matin. Suite à une forte tempête trois ancres sont rompus. Le navire part à la dérive. Ils ne retrouvent l’île que le 1 octobre, où ils débarquent plus de 200 colis contenant le matériel. Le navire retour à la Réunion laissant les observateurs sur leur île. La probabilité de réussir l’observation était de 8 à 10%. Le temps est exécrable, la tempête fait rage le jour du passage et se calme juste à l’instant du début du passage. Le mauvais temps revient juste à la fin du passage (dernier contact intérieur). Plus de 500 clichés (poses) du passage sont réalisés. Un véritable succès! Le voyage du Commandant Mouchez à St Paul.

43 43 Les clichés de St-Paul Au total les observateurs de l’île St-Paul ramenèrent 124 plaques daguerriennes représentant 443 poses, et 47 plaques au collodion représentant 142 poses (on effectuait plusieurs poses par plaques). Au total les observateurs de l’île St-Paul ramenèrent 124 plaques daguerriennes représentant 443 poses, et 47 plaques au collodion représentant 142 poses (on effectuait plusieurs poses par plaques).

44 44 Les images des passages de Vénus Daguerréotype de Mouchez à saint-Paul

45 45 Le passage du 6 décembre 1882

46 46 Les images des passages de Vénus Cliché photographique (U.S. Naval observatory)

47 47 Les mesures de la distance Terre - Soleil Méthodedateparallaxedistance "millions km Mars16729.5 - 10130 -140 Vénus17618.3 - 10.6125 - 160 Vénus17698.5 - 8.9145 - 155 Mars18628.84149 Flora18758.87148 Mars18858.78150 Vénus1874 - 828.790-8.880148.1 - 149.7 Éros19008.806149.4 Eros19308.790149.7 radar19708.79415149.5978 Viking+radar2000149.597870691

48 48 Refaire la mesure en 2004: le projet européen VT-2004 Au XXIème siècle: utiliser le passage de Vénus dans un but éducatif Refaire les mesures des siècles passés Faire appel aux jeunes de tous pays pour remplacer les astronomes du XVIIIème siècle Utiliser Internet pour remplacer les voyages lointains - Envoyer ses mesures vers un centre de calcul situé à Paris pour déterminer la distance Terre-Soleil http://vt2004.imcce.fr

49 49 Expéditions organisées pour le passage de 1761

50 50 Les observateurs VT-2004

51 51

52 52 Que mesurer lors du passage? Un passage de Vénus dure de 5 à 8 heures: celui du 8 juin de 5h 24 à 11h 24 UTC à Paris t 1, t 4 : contacts extérieurs t 2, t 3 : contacts intérieurs Les contacts extérieurs ne sont pas observables t1t1 t 1 :1 e contact t2t2 t 2 :2 e contact t3t3 t 3 :3 e contact t4t4 t 4 :4 e contact t 1 - t 2 : entrée de la planète t 3 - t 4 : sortie de la planète Mesurer l’instant des contacts en Temps Universel

53 53 Carte de visibilité

54 54 Le solarscope

55 55 Circonstances locales

56 56 Effet de la "goutte noire" Détachement attendu Soleil L'identification des contacts est imprécise Avant le contact Soleil Contact intérieur Soleil ~10 s après le contact Soleil

57 57 La « goutte noire » La « goutte noire » est un effet de la diffraction de la lumière.

58 58 Premiers contacts

59 59 L’effet de parallaxe

60 60 Les images de TRACE Le mouvement rapide de TRACE autour de la Terre montre bien l’effet de parallaxe

61 61 Le calcul de l’UA Le 8 juin à 14hLe 8 juin à 14h Inscrits: 2228Inscrits: 2228 Observateurs: 640Observateurs: 640 Contacts observés: 1882Contacts observés: 1882 UA calculée = 149 599 008 kmUA calculée = 149 599 008 km Écart à l’UA UAI = 1138 kmÉcart à l’UA UAI = 1138 km Soit: 0,001 %Soit: 0,001 % Dispersion: 1,5 %Dispersion: 1,5 % Le 13 juin à 14hLe 13 juin à 14h Inscrits: 2434Inscrits: 2434 Observateurs: 1109Observateurs: 1109 Contacts observés: 3185Contacts observés: 3185 UA calculée = 149 589 751 kmUA calculée = 149 589 751 km Écart à l’UA UAI = 8119 kmÉcart à l’UA UAI = 8119 km Soit 0,005 %Soit 0,005 % Dispersion: 1,5%Dispersion: 1,5%

62 62 Le calcul de l’unité astronomique

63 63 Images en H alpha

64 64 L’atmosphère de Vénus Image du Dutch Open Telescope (îles Canaries); ouverture 45 cm

65 65 Avec un filtre H alpha, Vénus est visible avant le contact

66 66 Nuages à Johannesburg

67 67 À Barcelone avec une lunette de 7 cm

68 68 « Chapelet d’images » avec filtre de densité 4

69 69 Coucher de Soleil sur le lac Erié

70 70 Dessins d’enfants

71 71 Dessins d’enfants (suite)

72 72 Le passage de Vénus et le projet VT-2004 Le projet pédagogique pour les années à venir: - -Réalisation d’une base de données des images du 8 juin - -Mise en place d’outils de traitement d’images et de calcul de la distance de Vénus au bord solaire - -Calcul de l’unité astronomique à partir des données stockées

73 73 Rendez-vous en 2012 !