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Observer avec Galilée pour argumenter en faveur du modèle héliocentrique (2/2)
Phases de Vénus - Rétrogradation des planètes - Taches solaires
10/03/2025
Résumé
Cet article en deux parties propose de s'appuyer sur les textes et observations de Galilée et d'éclairer ceux-ci à l'aide d'outils numériques actuels : simulateur de ciel, observations via des outils mis à disposition par la NASA et animations. Les applications sont particulièrement adaptées à l'enseignement de la controverse géocentrisme/héliocentrisme.
Table des matières
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« Durant deux mille ans l'humanité a cru que le soleil et tous les corps célestes tournaient autour d'elle. Le pape, les cardinaux, les princes, les savants, les capitaines, les marchands, les poissonnières et les écoliers, tous croyaient être immobiles dans cette sphère de cristal. Or maintenant, nous gagnons le large, […], le grand large. Car l'ancien temps est passé, et voici un temps nouveau. » La vie de Galilée, Bertolt Brecht |
Cet article en deux parties a pour but, à travers la reconstitution des observations réalisées par Galilée et l'analyse de quelques-uns de ses écrits, de faciliter l'enseignement de la controverse géocentrisme/héliocentrisme en enseignement scientifique en classe de première. Nous nous appuierons sur les publications de Galilée telles que « Le messager des étoiles » [1] et le « Dialogue sur les deux grands systèmes du monde » [2] ainsi que sur sa correspondance que nous éclairerons d'observations et diverses modélisations numériques réalisables et exploitables en classe.
L'exploitation des ressources proposées a été testée plusieurs fois dans le cadre de l'enseignement scientifique de la classe de première, avec une répartition en plusieurs groupes de travail suivie d'une restitution orale.
Introduction
Lorsqu'il tourne sa lunette vers le ciel à la fin de l'année 1609, Galilée ne se contente pas de fonder l'astronomie moderne : il contribue également de manière radicale à révolutionner la pensée occidentale et inflige à l'humanité ce que Freud qualifiera de première blessure narcissique.
Alors que Kepler vient de publier son « Astronomie nouvelle », un ouvrage complexe dans lequel il expose son modèle d'orbite elliptique ainsi que les deux premières lois qui portent désormais son nom, Galilée réalise, à l'aide d'une lunette de sa fabrication, des observations qui constitueront des arguments de poids en faveur du modèle copernicien. À la fin de l'année 1609 et au début de l'année 1610, quelques nuits d'observation suffisent à Galilée pour découvrir – entre autres – la nature de la surface lunaire ainsi que l'existence de satellites autour de Jupiter (Io, Ganymède, Callisto et Europe, encore aujourd'hui appelés satellites galiléens). Ces découvertes sont relatées dès mars 1610 dans un petit ouvrage à la portée considérable, « Le messager des étoiles » [1].
En 1632, dans un ouvrage autrement plus ambitieux, le « Dialogue sur les deux grands systèmes du monde » [2], Galilée développe de nouveaux arguments en faveur de l'héliocentrisme en y explicitant notamment la rétrogradation des planètes, l'origine des phases de Vénus et la trajectoire des taches solaires.
Différents outils permettent de reconstituer les observations de Galilée et d'en saisir la portée : logiciel de modélisation, outil d'observation et animations en ligne. Après avoir présenté brièvement ces principaux outils, nous fournirons différentes pistes pédagogiques en nous appuyant sur l'argumentation développée par Galilée dans le messager des étoiles et le dialogue.
1. Observer les phases de Vénus grâce au site Astronomy Education de l'Université Nebraska-Lincoln
1.1 Présentation du site Astronomy Education de l'Université Nebraska-Lincoln
L'Université du Nebraska propose, à travers un site particulièrement riche Astronomy Education [3], un grand nombre d'applications permettant de simuler différents phénomènes célestes.
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Des applications particulièrement adaptées à l'enseignement de la controverse géocentrisme/héliocentrisme sont accessibles dans l'onglet « Legacy » dans lequel sont rassemblées toutes les animations disponibles (List of all animation). Celles regroupées dans la liste intitulée « Renaissance astronomy » sont particulièrement adaptées.
1.2 Observations des phases de Vénus
Galilée observe la planète Vénus au printemps 1610. Il relate ses découvertes dans plusieurs documents dont une lettre à Benedetto Castelli et à Christophorus Clavius le 30 décembre 1610 :
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« Quand Vénus a commencé à être visible dans le ciel du soir, je commençais à l'observer et je vis que sa forme était circulaire, quoique extrêmement petite. Plus tard, je la vis croître en taille de façon significative, tandis qu'elle gardait toujours sa forme ronde. En approchant de son élongation maximum, elle commença à perdre sa forme circulaire de l'autre côté du Soleil et en peu de jours elle prit une forme semi-circulaire. Cette forme se maintint pendant quelques jours. Plus précisément elle conserva cette forme jusqu'à ce qu'elle commence à se rapprocher du Soleil, abandonnant lentement la tangente [son élongation maximum]. Elle commença alors à prendre une forme nettement cornue. Ainsi elle continua à décroître pendant toute la période pendant laquelle elle resta visible dans le ciel du soir. Opere ; X, 500. » |
Dans cet extrait, Galilée décrit l'existence des phases de Vénus dont il publie les dessins d'observation dans « L'essayeur » en 1623 [4], figure 1.
 Figure 1. Dessin des phases de Vénus publiés par Galilée dans « L'essayeur » en 1623. Source : « L'essayeur », Galilée, 1623 [4]. |
L'aspect des phases de Vénus fait également l'objet d'une longue argumentation dans le « Dialogue sur les deux grands systèmes du monde » [2].
Les animations disponibles sur le site de l'Université Nebraska-Lincoln sont particulièrement intéressantes pour comprendre la portée des observations de Galilée. Elles permettent de représenter l'aspect de la planète Vénus telle qu'il devrait être dans le cadre d'un modèle géocentrique, figure 2, ainsi que dans la réalité du modèle héliocentrique, figure 3.
 Vénus est représentée sur son épicycle, conformément au modèle géocentrique de Ptolémée. Source : Animation « Ptolemaic Phases of Venus », Astronomy Education at the University of Nebraska-Lincoln Web Site [3]. |
 Figure 3. Copie d'écran de l'animation « Renaissance Astronomy / Phase of Venus » - Modèle héliocentrique Source : Animation « Phases of Venus », Astronomy Education at the University of Nebraska-Lincoln Web Site [3]. |
La comparaison des deux animations permet immédiatement de mettre en évidence l'existence de configurations spécifiques au modèle géocentrique. Ainsi, notamment, la configuration avec une phase pleine n'existe pas dans le modèle géocentrique. Or, celle-ci a bien été observée et dessinée par Galilée.
2. Comprendre la rétrogradation des planètes
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Extrait du livre « Dialogue sur les deux grands systèmes du monde » (Troisième journée) [2] : « Salviati — Dans Ptolémée il y a les infirmités, et dans Copernic les remèdes. [...] Il y a de tels mouvements difformes dans la construction de Ptolémée, alors que, dans celle de Copernic, tous les mouvements sont uniformes autour de leur propre centre. Chez Ptolémée, on devait attribuer aux corps célestes des mouvements contraires, ils devaient aller d'est en ouest, mais aussi tous ensemble d'ouest en est ; avec Copernic, toutes les révolutions célestes vont dans le même sens, d'ouest en est. Et que dire du mouvement apparent des planètes ? Il est si difforme que non seulement elles vont tantôt plus vite tantôt plus lentement, mais aussi s'arrêtent parfois et parcourent même un long chemin en arrière ! Pour sauver cette apparence, Ptolémée a introduit d'énormes épicycles, les adaptant un par un à chaque planète, avec certaines règles concernant des mouvements incohérents : tout cela disparaît avec un mouvement très simple de la Terre. [...] Sagredo — Ces stations, ces retours en arrière, ces mouvements directs m'ont toujours paru fort improbables : j'aimerais comprendre mieux comment tout cela se produit dans le système de Copernic. Salviati — Vous allez les voir se produire, signor Sagredo, et, sauf obstination ou incapacité d'apprendre, cette hypothèse devrait suffire pour qu'on donne son assentiment à l'ensemble de la théorie. » |
Ainsi débute dans le « Dialogue sur les deux grands systèmes du monde », le plaidoyer de Salviati en faveur du système copernicien. Il y est question du mouvement de rétrogradation des planètes, soit le phénomène par lequel la trajectoire apparente d'une planète (soit le sens de sa révolution autour du Soleil) marque un ralentissement avant de s'inverser puis repartir dans le sens initial. Ce mouvement apparent est impossible dans un système géocentrique si nous considérons une planète tournant simplement autour de la Terre. Connu de longue date, ce phénomène a contraint Ptolémée à proposer un modèle complexe de trajectoire planétaire basé sur l'existence d'épicycles. Selon ce modèle, les planètes tournent sur un épicycle qui lui-même tourne sur un déférent.
L'utilisation de Stellarium [5] permet de visualiser la rétrogradation de la planète Mars, figure 4. Ainsi entre la fin du mois de mai et le début du mois de septembre 2018, le mouvement apparent de Mars se manifeste par deux boucles successives à la faveur de son opposition avec le Soleil (soit le phénomène par lequel le Soleil et Mars se trouvent dans deux directions opposées du ciel, vus de la Terre, phénomène qui correspond également au moment où une planète est la plus proche de la Terre).
 Figure 4. Trajectoire apparente de Mars entre le 10 mai et le 12 octobre 2018 source : « Rétrogradation de Mars, campagne 2018 », Comité de Liaison Enseignants et Astronomes, image obtenue avec le logiciel Stellarium [5]. |
Trois animations issues du site de l'Université Nebraska-Lincoln permettent de comprendre en quoi le modèle géocentrique de Ptolémée permet de rendre compte des mouvements de rétrogradation, figures 5, 6 et 7.
 Figure 5. Copie d'écran de l'animation « Renaissance Astronomy / Ptolemaic Orbit of Mars » Le déférent (orbite « principale ») de Mars autour de la Terre et son épicycle apparaissent en rouge. La Terre est en bleu, le Soleil en jaune et Mars en rouge. Source : Animation « Renaissance Astronomy / Ptolemaic Orbit of Mars », Astronomy Education at the University of Nebraska-Lincoln Web Site [3]. |
La question de la rétrogradation des planètes est une occasion de discuter avec les élèves du principe de parcimonie (ou « rasoir d'Ockham ») dans la démarche scientifique. En effet, le système de Copernic permet d'expliquer la rétrogradation des planètes en faisant appel à moins d'hypothèses que le système de Ptolémée. Il est donc plus satisfaisant selon ce principe.
L'animation figure 6 permet d'expliquer la rétrogradation de Mars comme le résultat de l'évolution de la position relative de la Terre et de Mars sur leur orbite autour du Soleil. L'animation figure 7 offre une interface interactive permettant d'observer le phénomène de rétrogradation sous plusieurs vues.
 Figure 6. Copie d'écran de l'animation « Renaissance Astronomy / Retrograde motion » Source : Animation « Renaissance Astronomy / Retrograde motion », Astronomy Education at the University of Nebraska-Lincoln Web Site [3]. |
 Figure 7. Copie d'écran de l'animation « Renaissance Astronomy / Planetary configurations simulator » Source : Animation « Renaissance Astronomy / Planetary configurations simulator », Astronomy Education at the University of Nebraska-Lincoln Web Site [3]. |
3. Observer la trajectoire des taches solaires
3.1 La trajectoire apparente des taches solaires comme preuve de la révolution de la Terre autour du Soleil
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Extrait du livre « Dialogue sur les deux grands systèmes du monde » (Troisième journée) [2] : « Le premier qui ait découvert et observé les taches solaires (et d'ailleurs toutes les autres nouveautés du ciel) a été notre académicien dei Lincei ; il les a découvertes en 1610, alors qu'il enseignait encore les mathématiques à l'université de Padoue : là et à Venise, il en parla à diverses personnes dont certaines sont encore vivantes ; un an plus tard il les fit voir à plusieurs gentilshommes, comme il le dit dans la première de ses Lettres au signor Mark Welser, duumvir d'Augsburg. Il fut le premier à affirmer, contre tous les timides trop soucieux de l'inaltérabilité du ciel, que ces tâches sont des matières qui en peu de temps se produisent et se dissolvent » |
Ainsi débute un savoureux passage du « Dialogue sur les deux grands systèmes du monde » consacré aux taches solaires dans lequel Galilée, à travers la parole de Salviati, évoque ses propres travaux. En effet, l'Accademia dei Lincei – ou académie des Lyncéens - fondée en 1603 et plus ancienne académie scientifique d'Europe compte parmi ses membres Galilée lui-même à partir de l'année 1611. Ce passage permet à Galilée d'égratigner la conception aristotélicienne suivant laquelle le monde au-delà de la Lune serait parfait et immuable.
Après une longue discussion sur la nature des taches dans laquelle Galilée affirme qu'elles appartiennent bien au Soleil dont elles révèlent la rotation, celui-ci livre une intuition remarquable à travers les paroles de Salviati :
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« Salviati — Notant soigneusement les positions sur le papier, jour après jour, à l'heure où le Soleil se trouvait sur le méridien ; il s'aperçut que le trajet ne suivait pas du tout une ligne droite mais une ligne légèrement incurvée. Nous en arrivâmes à penser qu'il fallait faire d'autres observations de temps à autre. En cette entreprise, mon hôte et moi fûmes fort aiguillonnés par une idée qui lui était venue ; il m'en entretint en ces termes : Mon cher Filippo, voilà qui me semble donner accès à quelque chose de très important. Si l'axe autour duquel tourne le Soleil n'est pas perpendiculaire au plan de l'écliptique mais incliné sur lui, comme me le suggère la trajectoire incurvée que nous observons en ce moment, nous disposerons d'une conjecture sur les états du Soleil et de la Terre comme jamais aucune autre occasion n'en a fourni d'aussi solide et d'aussi concluante. […] Si c'est à la Terre que revient le mouvement annuel sur l'écliptique autour du Soleil, si d'autre part le Soleil est bien au centre de l'écliptique et tourne sur lui-même, non pas autour de l'axe de l'écliptique (qui serait l'axe du mouvement annuel de la Terre), mais sur un axe incliné, on doit percevoir d'étranges changements dans le mouvement des tache solaires, du moins si l'on suppose que l'axe du Soleil garde constamment et immuablement la même inclinaison et la même direction vers un point de l'univers. Si le globe terrestre tourne autour de lui en un mouvement annuel, la première conséquence est que les taches nous paraîtront, à nous qui sommes emportés dans ce mouvement annuel, suivre parfois des lignes droites ; parfois, c'est-à-dire deux fois par an seulement, car, à tous les autres moments, elles nous paraîtront suivre des arcs sensiblement incurvés. En second lieu, pendant une moitié de l'année, la courbe de ces arcs nous paraîtra infléchie dans un sens inverse de son infléchissement pendant l'autre moitié ; autrement dit, pendant six mois la convexité des arcs sera dirigée vers la partie supérieure du disque solaire, et pendant les six autres mois vers la partie inférieure. En troisième lieu, puisque les taches nous apparaissent d'abord et naissent, pour ainsi dire, sous nos yeux à gauche du disque solaire et qu'elles finissent par se cacher et disparaître à droite, leurs extrémités orientales, autrement dit celles qui apparaissent les premières, seront pendant six mois plus basses que les points opposés des occultations ; au contraire, pendant les six autres mois, les taches se situeront à leur naissance en des points plus élevés et se mettront à descendre […]. » |
Galilée nous fournit là une argumentation d'une grande puissance heuristique. Si la Terre tourne bien autour du Soleil, cela doit se traduire par des variations observables de la trajectoire apparente des taches à sa surface.
3.2 Valider les propositions de Galilée avec Stellarium
Le logiciel Stellarium [5] permet de visualiser le changement de trajectoire apparente des taches solaires au cours de l'année. Il suffit pour cela de zoomer sur le Soleil de manière à voir le disque et les taches à sa surface.
Il faut ensuite matérialiser le plan de l'écliptique (dans la rubrique « Affichage » (F4) / Repères, cliquer sur « Ecliptique J2000.0 ») puis accélérer le déroulement du temps grâce à l'icône dédiée.
On constate alors la « bascule » du soleil au cours de l'année, matérialisée par l'inclinaison de l'écliptique pendant que sa rotation est mise en évidence par la trajectoire des taches solaires, animation figure 8 et figures 9 et 10.
On veillera à supprimer la représentation du sol (touche G) ainsi que de l'atmosphère (touche A), à se placer dans un repère équatorial (Ctrl+M) et à centre l'image sur le Soleil (touche espace) afin de visualiser confortablement les variations d'aspect du Soleil au cours du temps et se placer dans un repère équatorial.
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Figure 8. Copie d'écran animée du logiciel Stellarium - Situation entre le 29 août 2024 et le 28 mars 2025 Le trait rouge représente l'écliptique. Source : Stellarium [5]. |
 Figure 9. Copie d'écran du logiciel Stellarium - Situation le 06 mars 2023 Le trait rouge représente l'écliptique. Source : Stellarium [5]. |
 Figure 10. Copie d'écran du logiciel Stellarium - Situation le 06 Septembre 2023 Le trait rouge représente l'écliptique. Source : Stellarium [5]. |
Conclusion
Si cet article fait la part belle aux outils numériques, rien ne saurait remplacer l'observation directe des astres, l'œil à l'oculaire d'une lunette ou d'un télescope. L'acquisition d'un instrument modeste est à la portée de tous les établissements scolaires et moyennant une courte formation, son utilisation avec les élèves permettra véritablement de gagner le « grand large ».
On peut également se faire la main avec un instrument prêté par le réseau « Astro à l'école » [6], dispositif piloté par l'Observatoire de Paris dans le cadre de « Sciences à l'école ». Des appels à candidature sont lancés régulièrement.
En complément, on pourra chercher à vivre le mouvement des planètes à travers l'approche kinesthésique. L'utilisation d'un planétarium humain, soit une représentation du système solaire sur laquelle on peut se déplacer, permet littéralement d'éprouver dans son corps les mouvements des planètes et notamment de comprendre le processus de rétrogradation. Un blog animé par Emmanuel Rollinde [7], enseignant-chercheur au Laboratoire de Didactique André Revuz (LDAR)/Université de Cergy Pontoise (UCP) fait le point sur cette approche particulièrement motivante. On y trouve de nombreux exemples ainsi que des éléments théoriques.
Références
[1] Le messager des étoiles, Seuil, collection Points Sciences, traduction Fernand Hallyn, 2009.
[2] Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, Galilée, collection Points Sciences, traduit de l'italien par René Fréreux avec le concours de François De Gandt, 2000.
[3] Site Astronomy Education, Astronomy Education at the University of Nebraska-Lincoln Web Site (https://astro.unl.edu), consulté en octobre 2024.
[4] L'essayeur, Galilée, collection Annales littéraires des Presses universitaires de Franche-Comté, traduit de l'italien par Christiane Chauviré, 1980.
[5] Logiciel Stellarium, et sa version en ligne https://stellarium-web.org/
[6] Site Astro à l’école, consulté en octobre 2024.
[7] Site planetaire.over-blog.com , dirigé par Emmanuel Rollinde, consulté en octobre 2024.
[8] Film Galilée ou l'amour de Dieu, Réalisation : Jean-Daniel Verhaeghe, Koba films, 2006. DVD, 90 min.
[9] Site Observing with NASA, https://mo-www.cfa.harvard.edu/OWN/index.html, consulté en octobre 2024.
Pour citer cet article :
Observer avec Galilée pour argumenter en faveur du modèle héliocentrique (2/2), Jérôme Ozouf, mars 2025. CultureSciences Physique - ISSN 2554-876X, https://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/Observations-Galilee-heliocentrique_Ozouf-2.xml
