Edmond Halley | La périodicité des comètes

Alors que l’Europe continue son invasion du nouveau continent américain, le Vieux Continent connaît au XVIIᵉ siècle l’un de ses âges d’or de l’astronomie. Si de son côté Galilée valide observationnellement la théorie héliocentrique, soutenue par Nicolas Copernic au siècle précédent, en observant notamment les satellites de Jupiter avec sa lunette astronomique, Johannes Kepler publiera dès 1609 ses deux premières lois décrivant le mouvement des planètes autour du Soleil. La Terre n’est alors plus au centre de l’univers mais une planète parmi tant d’autres. De plus, les observations toujours plus précises font progresser très rapidement la compréhension de notre système solaire. L’apothéose sera probablement la publication de la loi universelle de la gravitation par Isaac Newton en 1687. Cette publication fut grandement motivée par l’astronome britannique Edmond Halley. Très polyvalent comme scientifique, Edmond est aujourd’hui connu pour avoir prédit le retour d’une comète périodique qui porte son nom.

La cartographie du ciel austral

Edmond Halley est né à Haggerston, près de Londres, en Angleterre, le 29 octobre 1656. Montrant rapidement des aptitudes pour les études, Edmond entre au Queens’ College d’Oxford à l’âge de 17 ans. Passionné par les sciences, il se spécialise rapidement en mathématiques et en astronomie. Il assistera notamment l’astronome royal John Flamsteed, qui commençait alors un travail de cartographie du ciel de l’hémisphère nord. Ainsi, durant ses études, Edmond publiera rapidement plusieurs articles. Il retranscrira notamment avec précision l’occultation de Mars par la Lune de 1676. C’est-à-dire le passage de la Lune devant la planète Mars.

Alors que Flamsteed étudie le ciel septentrional, Edmond décide de partir pour l’île de Sainte-Hélène afin d’y étudier le ciel austral avant même d’obtenir son diplôme. La grande majorité des observatoires occidentaux étant situés dans l’hémisphère nord, la cartographie des étoiles de l’hémisphère sud était alors très limitée. Soutenu par le roi Charles II ou encore le président de la Royal Society, Edmond part donc pour Sainte-Hélène en 1676.

Durant 18 mois, il travaillera à la cartographie du ciel austral et découvrira même un nouvel amas d’étoiles situé dans la constellation du Centaure. De plus, le 7 novembre 1677, Edmond effectuera la première observation complète d’un transit de Mercure. En observant le passage de la planète devant le Soleil, il propose alors l’idée de mesurer la distance Terre-Soleil en observant le transit de Vénus. Le prochain transit ayant lieu en 1761, il ne pourra malheureusement pas l’observer lui-même.

Edmond rentrera en 1678 en Angleterre. Il publiera alors son catalogue d’étoiles de l’hémisphère sud contenant les positions précises de 341 étoiles australes. Ce travail lui permit alors de rentrer à la Royal Society à seulement 22 ans. Le roi Charles II lui délivrera même son diplôme du Queen’s College.

La rencontre avec Newton

À partir de 1680, Halley débuta un voyage à travers l’Europe. Il passera notamment du temps en France où, aux côtés de Jean-Dominique Cassini, il mesurera l’orbite d’une comète qu’il avait observée lors de sa traversée en bateau. Il observera également une seconde comète en 1682. Une comète qui aura une grande importance dans sa carrière quelques années plus tard.

Cependant, les aléas de sa vie personnelle et notamment la mort de son père le détournent quelque temps de l’observation du ciel. Néanmoins, à partir de 1683, Halley, avec l’aide des astronomes Christopher Wren et Robert Hooke, émet l’idée que les orbites elliptiques des planètes proposées par Kepler impliquent une attraction gravitationnelle entre les astres du système solaire. De plus, ils proposent également que cette attraction décroisse avec le carré de la distance. Malheureusement, les trois astronomes ne parvinrent pas à démontrer cette loi.

C’est alors que Halley alla rendre visite à Isaac Newton. Excellent théoricien, Newton ne partageait que très rarement ses travaux avec la communauté scientifique. Edmond découvrit ainsi avec stupeur que Newton avait non seulement déjà démontré la loi de l’attraction mais qu’il avait également effectué de grandes avancées dans d’autres domaines comme l’étude des marées ou la mécanique des fluides. Comprenant l’importance cruciale de ces travaux pour la communauté, Halley réussira à convaincre Isaac de les publier dans l’un des ouvrages les plus importants de l’histoire des sciences, « Philosophiæ naturalis principia mathematica« . Il financera même de sa poche la publication de ce document.

Peinture représentant Edmond Halley et Isaac Newton. ©Look and Learn

La comète de Halley

Ne parvenant pas à obtenir la chaire d’astronomie d’Oxford à cause de ses idées opposées au récit biblique, dominant à l’époque, Edmund travaillera comme rédacteur en chef pour la Royal Society. Il publiera notamment, en 1686, une carte des vents océaniques, considérée aujourd’hui comme la première carte météorologique. Il concevra également une cloche de plongée qui lui permettait de rester sous l’eau jusqu’à quatre heures et fabriqua une boussole magnétique rudimentaire.

À partir de 1695, Halley se plonge à nouveau dans l’étude du ciel. Il se concentrera notamment sur les orbites des comètes. En s’appuyant sur les travaux fraîchement publiés de Newton, il supposa que les comètes avaient des orbites elliptiques similaires à celles des planètes. Très mal connues à l’époque, les comètes apparaissent dans le ciel comme un point brillant accompagné d’une immense queue brillante. On sait aujourd’hui qu’il s’agit d’astéroïdes riches en glaces. Lorsque ces derniers s’approchent du Soleil, la glace passe de solide à gazeuse et expulse de la poussière sur des millions de kilomètres.

Ainsi, en se plongeant à nouveau dans ses observations de la comète de 1682, Edmond calcula qu’il s’agissait de la même comète que celles apparues en 1531 et en 1607. Il démontra ainsi la périodicité de certaines comètes. En remontant dans le temps, il détermina que cette comète fut observée en 1305, 1380 et 1456. Edmond calcula ainsi que la comète serait à nouveau observable en décembre 1758. Décédé le 14 janvier 1742, Halley ne pourra malheureusement pas vérifier lui-même sa prédiction. Néanmoins, la comète fut bien observée à nouveau le 25 décembre 1758. Malgré un petit décalage à cause des perturbations gravitationnelles de Jupiter et de Saturne, cette prédiction permit ainsi de valider la théorie de la gravitation de Newton. La comète fut alors nommée « comète de Halley » bien qu’Edmond n’en soit pas le découvreur.

Photographie de la comète de Halley. ©NASA

Une fin de vie royale

Une fois son travail sur les comètes terminé, Edmond quitta quelque temps le monde de l’astronomie. Il travaillera notamment comme contrôleur adjoint de la Monnaie de Chester entre 1696 et 1698. Il avait obtenu ce poste grâce à son ami Newton qui était alors directeur de la Monnaie royale de Londres. A cette époque, Halley travaillait en parallèle sur une méthode pour mesurer la longitude à partir des variations d’un compas. Dans cet objectif, le roi Guillaume III le nommera commandant d’un navire de guerre, qu’il dirigera de 1698 à 1704. Ce périple lui permettra alors de rédiger la première carte avec des lignes d’égale déclinaison.

Après avoir notamment étudié les marées, Edmond prendra le poste de professeur de géométrie à Oxford en 1704. Durant cette période, il travaillera principalement sur l’étude du mouvement propre des étoiles. Il sera cependant incapable de le mesurer à cause du manque de précision des instruments de l’époque. Il aura également un rôle de médiateur dans le conflit entre Newton et Gottfried Leibniz, les deux réclamant la paternité du calcul différentiel. Un débat qui n’est toujours pas résolu.

Enfin, Halley obtiendra le poste d’astronome royal à l’Observatoire royal de Greenwich à partir de 1720. Il occupera ce poste jusqu’à sa mort en 1742. Durant cette période, il continuera ses travaux en géophysique et en mathématiques. Il met notamment au point une méthode pour calculer la longitude en mer grâce aux observations lunaires.