Ole Rømer | l'astronome qui montra la vitesse finie de la lumière

Lorsque les navires s’éloignent considérablement des terres lors de longs périples, déterminer précisément leur position s’avère essentiel. La mesure de la latitude (nord-sud) est relativement simple grâce aux étoiles et notamment à la position de l’étoile polaire. Cependant, déterminer la position est-ouest (longitude) est beaucoup plus compliqué. Au cours du XVIIᵉ siècle, les scientifiques recherchèrent une méthode pour calculer cette longitude en observant le ciel. Galilée proposa notamment une méthode basée sur les éclipses de Io. Bien que trop complexe pour le domaine maritime, elle s’avérera très intéressante dans le domaine astronomique. Elle permettra notamment au jeune astronome Ole Rømer de déterminer pour la première fois que la vitesse de la lumière était finie.

Un danois au chateau de Versailles

Ole Rømer vit le jour le 25 septembre 1644 à Århus au Danemark. Après une enfance peu connue, il s’inscrira à l’université de Copenhague à l’âge de 18 ans. Il s’intéressera principalement aux mathématiques et à l’astronomie avec pour mentor le médecin Masmus Bartholin qui enseignait alors la géométrie à l’université. Durant sa formation, Ole participera notamment à des observations effectuées à l’observatoire de Tycho Brahe à Uraniborg.

Il assistera notamment l’astronome français Jean Picard dans ses mesures des éclipses des satellites de Jupiter. En effet, découverts en 1610 par Galilée, Io, Europe, Ganymède et Callisto sont facilement observables avec une lunette astronomique et mettent entre 1,7 et 16,7 jours pour faire un tour autour de Jupiter. D’une nuit à l’autre, il est ainsi possible d’observer le déplacement des satellites. Ces derniers vont notamment régulièrement disparaître en passant devant ou derrière Jupiter. On appelle cela une éclipse.

Impressionné par le travail d’Ole, Jean Picard le recommandera pour travailler à l’observatoire de Paris. Il passera ainsi neuf ans en France. En plus de son travail d’astronome à l’observatoire, Ole sera également choisi par le roi Louis XIV pour enseigner les mathématiques à son dauphin Louis de France. Spécialisé en géométrie, il participera également à la construction des fontaines du château de Versailles.

*Les satellites de Jupiter vus au télescope à un grossissement de 200. © Jan Sandberg*

L’étude des éclipses de IO

En plus de la recherche en astronomie, les observations des satellites de Jupiter peuvent servir dans d’autres domaines. En effet, suite à une demande du roi d’Espagne Philippe III qui cherchait une méthode pour mesurer la longitude en mer, Galilée proposa une méthode basée sur les éclipses de Io. Plus proche satellite de Jupiter connu à l’époque, ce dernier passe devant et derrière la planète à des intervalles réguliers très bien connus. Cependant, une personne à New York et une autre à Paris n’observeront pas ce phénomène simultanément. En mesurant la différence d’heure entre la fin de l’éclipse aux deux endroits, il est alors possible de déterminer l’écart de longitude et donc la position des deux personnes. Néanmoins, bien que prometteuse, cette méthode s’avéra rapidement trop complexe pour mesurer la position d’un bateau en mouvement.

Par contre, cette méthode reste très intéressante sur Terre pour vérifier la précision des horloges. Dans ce contexte, Ole observera plus de soixante éclipses entre 1668 et 1678. Il remarquera ainsi que la durée écoulée entre les éclipses n’était en réalité pas constante au cours de l’année. En effet, la Terre mettant un an pour faire un tour autour du Soleil, contre un peu moins de 12 ans pour Jupiter, la distance entre les deux planètes varie au cours d’une année terrestre. Ainsi, Ole observa que l’intervalle entre deux éclipses était le plus long lorsque la Terre était au plus loin de Jupiter.

La lumière a une vitesse finie

Alors qu’une grande partie de la communauté scientifique pensait que la vitesse de la lumière était infinie, les observations d’Ole remirent en doute cette hypothèse. En effet, Ole proposa d’expliquer ces différences d’intervalles par le fait que la lumière avait une vitesse finie. La lumière mettrait alors plus de temps à arriver lorsque la Terre et Jupiter sont les plus éloignées, augmentant ainsi l’intervalle entre les éclipses.

En août 1676, Ole proposa à l’Académie royale des sciences de Paris que les inégalités des éclipses pourraient être dues à la vitesse finie de la lumière. Il indiqua également que, selon ses calculs, la lumière devrait mettre entre dix et onze minutes pour parcourir la distance Terre-Soleil. Aujourd’hui, on sait que cette durée est d’environ 8 minutes et 20 secondes. Ces différences proviennent des incertitudes dans les mesures ainsi que de certaines approximations comme des orbites circulaires plutôt qu’elliptiques (ovales).

La proposition d’Ole fut globalement bien accueillie dans la communauté scientifique. Cependant, ses collaborateurs Jean-Dominique Cassini et Jean Picard rejetèrent catégoriquement cette hypothèse. Ces derniers critiquaient notamment l’incertitude des calculs d’Ole et le fait que ces différences n’étaient pas observables pour les autres satellites de Jupiter. Néanmoins, cette théorie fut adoptée avant la fin du siècle par la majorité des astronomes. De son côté, Ole ne mesurera jamais précisément la vitesse de la lumière. Ce mérite revient plutôt à Christian Huygens qui estima la vitesse à environ 210 000 km/s. Aujourd’hui, cette vitesse est connue avec précision et vaut 299 792 km/s.

*Representation d’Ole Rømer observant Jupiter.*

L’échelle de température Rømer

Ole retournera au Danemark en 1681 pour travailler en tant que professeur d’astronomie à l’université de Copenhague. On sait qu’il passe une grande partie de son temps à faire des observations. Malheureusement, la majeure partie de ses travaux fut perdue lors de l’incendie de Copenhague de 1728.

En parallèle de ses recherches en astronomie, Ole proposera le premier système de poids et mesures du Danemark. Il essaiera notamment de définir une valeur étalon de distance à partir du balancier d’un pendule. Ole s’inspira également du travail d’Isaac Newton pour créer l’une des premières échelles de température en 1701. Pour cela, il choisit pour valeur de son 0° Rømer le point de congélation de la saumure de chlorure d’ammonium et fixa la température d’ébullition de l’eau à 60° Rømer. Si cette échelle fut principalement utilisée par Ole pour ces recherches, elle inspira fortement Daniel Fahrenheit qui l’adapta pour créer l’échelle de température Fahrenheit, encore utilisée de nos jours dans plusieurs pays.

Ole Rømer sera également très investi dans la politique danoise. Il militera notamment pour introduire le calendrier grégorien et deviendra également le second du chef de la police de Copenhague en 1705. Il inventera par ailleurs les premiers éclairages publics de Copenhague.