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Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)N ADAL,R.
RESTITUTION A PARTIR D'UN TEXTE
D'UN INSTRUMENT D'ASTRONOMIE,
LA SPHERE MOBILE D'HIPPARQUE*
rvation. Mais les astronomes ont ressenti dès lala
L_ astronomie est une science fondée sur l'obsevatio
ns par des mesures, afin de mieux étudieres
plus haute Antiquité le besoin de compléter lesnirobser
ainsi à une meilleure connaissance des phénomèn de
position et le mouvement des astres et parve angle
s entre des directions passant toutes par l'œilrvé la
célestes. Les quantités mesurées étaient des les instr
uments d'observation dont nous avons conse
l'observateur et il ne faut pas s'étonner si tous
trace, surtout par la littérature, étaient conçus dans ce but.
le gnomon, simple piquet planté
Le plus ancien de tous ces instruments est sansporténule dudoute
gnomon au cours de la journée fournit
l'ombre
verticalement sur un sol horizontal. L'étude deminer
ée
ent le méridien du lieu. Tout au long de l'ann
une évaluation des durées et permet de déternes époquaisém
de
t
perme
,
es remarquables (solstices et équinoxes)
elle donne la hauteur du Soleil qui, à certai
connaître la latitude du lieu d'observation et l'obliquité de l'écliptique.
que nous en fait Héron(),
inement évolué jusqu'à la description
Un deuxième instrument, qui a certa
l'angle que font deux directions quelconques, il sert en astronomie
est la dioptre. Conçu pour la mesure de . Un relevé du ciel par triangulation à l'aide de cet instrument
à mesurer la distance angulaire de deux astres es en procédant de proche en proche.
rend alors possible l'établissement d'atlas célest
(?. Mais,
ces deux instruments qu'il cite dans ses &crits
Il est fort probable qu'Hipparque a utiliséaurait
utilisé pour établir son catalogue d'étoiles. Sinirla
selon certains auteurs, c'est un astrolabe qu'ill'astrolabe,
d'invention plus récente, permet, lui, d'obte
dioptre est un simple instrument de repérage, ),
directement les coordonnées écliptiques des astres
de notre époque, avaient sûrement besoin de
Enfin, les astronomes de l'Antiquité, tout comme ceux
ce rôle était probablement dévolu aux clepsydres
nes, et
conserver le temps durant leurs observationstnoctur
cet office.
alors que de jour le cadran solaire remplissai
e exhaustive, les instruments dont s'aidaient les
Tels étaient, sans que notre énumération se veuill
représentations
Les observations leur permettaient de réalisantser des
astronomes grecs pour observer le ciel.pouva
« Sauver les
pour
ient recourir dans leurs efforts const
matérielles du ciel auxquelles ils
phénomènes ».
* par R. NADAL et J.P. BRUNET, Observatoires du Pic du Midi et de Toulou
Seite 2
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Face à la voûte céleste, l'observateur semble être situé au centre de l'Univers, dont il ne perçoit que
les apparences, et tout se passe comme si les objets célestes étaient tous à la même distance, c'est-à-dire
situés sur une sphère. Il est donc tout naturel de représenter le ciel sur un globe, plutôt que sur une carte
plane, car il est aisé d'y reporter les angles mesurés à l'aide des instruments décrits précédemment
.
L'utilisateur du globe céleste ne peut en voir que l'extérieur, sur lequel les constellations sont représentées
inversées, et il doit simaginer être au centre du globe pour avoir une figuration du ciel conforme
à la
On admet généralement que la construction des globes célestes a précédé celle des globes terrestres
et qu'Anaximandre de Milet (vers -550) est l'auteur du premier globe céleste. Le globe le plus
ancien qui
nous soit parvenu date de la fin du 11%" siècle et est dû à un artisan arabe de Valence (Espagne), Ibrahim
Ton Said as Sahlî'al-Wazzan. Il est conservé au Musée d'Histoire des Sciences de Florence‘). Pour
ce qui
est de l'Antiquité, nous ne conservons que des représentations artistiques de tels instruments, comme
par
exemple celle que nous en fournit la sculpture connue sous le nom d'Atlas Farnèse conservée au Musée
de
Naples. Mais la littérature ancienne nous a transmis quelques renseignements sur les globes célestes
et
leur construction. En particulier, Ptolémée() s'étend assez longuement sur la construction de la sphère
solide dite à précession.
Sur ces globes célestes sont représentés, en plus du dessin des constellations et de la place des
étoiles les plus brillantes, un certain nombre de cercles fondamentaux (écliptique, équateur, tropiques,
colures, etc.). Le globe peut tourner autour d'un axe passant par les pôles de l'équateur et solidaire
d'une
armille méridienne qui, elle-même, peut tourner dans son plan tout en restant perpendiculaire à une
autre
armille qui matérialise l'horizon du lieu (figure 1). On voit aisément que cet instrument, qui permet
de
simuler le mouvement apparent diurne du ciel pour n'importe quelle latitude, offre la possibilité
de
parvenir rapidement à de nombreuses constatations comme la simultanéité de certains phénomènes,
l'existence d'étoiles toujours visibles ou toujours invisibles, etc. De plus, si les cercles les
plus
importants (écliptique, équateur et méridien) sont gradués, il peut devenir un instrument
de calcul d'une
grande efficacité, évitant le recours à la trigonométrie sphérique qui en était à ses débuts
dans l'Antiquité et
dont la pratique était d'une grande lourdeur puisqu'on ne possédait alors que des tables de cordes. C'est
que les Grecs pouvaient calculer pour n'importe quelle latitude la durée du jour à toute époque de
ainsi
l'année,
celle du lever ou du coucher des constellations, des signes du Zodiaque, etc.
Nous savons par Ptolémée
(6) que le célèbre astronome grec Hipparque (-193, -120 environ) a
possédé un tel globe céleste. Le « Commentaire aux Phénomènes d'Eudoxe et d'Aratos » (cf. note
2) est le
seul texte de l'œuvre d'Hipparque qui nous soit parvenu ; il donne, à première lecture, l'impression
qu'Hipparque s'est aidé de cet instrument lors de sa rédaction. Comment en effet imaginer
que les
descriptions soient uniquement issues de l'observation ? Voici, à titre d'exemple, ce que dit Hipparque
à
propos du coucher de CassiopéeTM :
Pendant le coucher de Cassiopée, se couche l'arc du Zodiaque qui va du 21ème degré du Bélier au
milieu du 24° degré du Taureau et passe au méridien l'arc qui va du milieu du 24°”® degré du Cancer au
57° degré de la Vierge. L'étoile sur la tête se couche la première et celle sur les pieds la dernière.
Les étoiles qui passent au méridien sont, au début, la patte avant du Lion, la boréale des
deux qui
suivent des étoiles de la tête du Lion et l'étoile la plus brillante de l'Hydre et, à la fin, la deuxième,
à partir
de la queue, des étoiles brillantes du Dragon ainsi que l'étoile sur le bec et celle sur la tête du Corbeau.
Le coucher de Cassiopée dure deux heures deux tiers.
Ce passage du texte nous apporte un certain nombre d'informations :
Seite 3
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)e Plusieurs étoiles sont décrites par leur position au sein de leur constellation ou par leur éclat et
il est en général aisé de les identifier. Ainsi, celle sur la tête de Cassiopée est celle que nous appelons
maintenant £ Cas.
e Une étoile se couche du temps que tel point de l'écliptique se couche et que tel autre passe au
se
méridien. Hipparque repére la position de ces deux points sur l'écliptique. Par ailleurs, cette étoile
couche du temps que d'autres étoiles passent au méridien.
e La durée totale du coucher de Cassiopée est enfin indiquée, c'est l'intervalle de temps qui sépare
le coucher de la première de celui de la dernière étoile de la constellation à se coucher.
Hipparque décrit ainsi le lever et le coucher de 43 constellations pour la latitude de 36°, mais les
manuscrits comportent une lacune pour le coucher de deux d'entre elles, le Centaure et le Corbeau. En vue
d'une exploitation numérique, le passage cité peut être résumé par le tableau suivant, où la première ligne
concerne les simultanéités qui se produisent au début du coucher de Cassiopée et la deuxième celles qui se
produisent à la fin :
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Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Couchers
e Cas
Etoiles
Culminations
21 Ari
24,5 Cre
À = 20°
À = 20°
24,5 Tau
5 Vir
A =53°,5
À = 154°
Ecliptique
o Leo
u Leo
a Hya
«Dra
a Crv
e Crv
Etoiles
Il s'imposait de commencer le traitement des renseignements contenus dans le texte par celui
données numériques, c'est-à-dire celles concernant l'écliptique seul. Le texte fournit 165
des
couples (A, A) tels
que le point de l'écliptique de longitude À se lève ou se couche du temps que culmine le point
de
l'écliptique de longitude A'. Les nombres donnés par Hipparque sont exprimés en degrés et demi-degrés
;
or, quelle que soit la latitude, on ne peut avoir aussi souvent simultanéité entre passage à l'horizon et
passage au méridien de points de l'écliptique dont la longitude soit exactement un entier ou un demi-entier.
Les longitudes A et A’ sont donc arrondies par Hipparque au demi-degré. Si l'on suppose connues la latitude
pet l'obliquité € de l'écliptique, il est possible de savoir si les couples (A, A") sont cohérents compte
tenu
de l'arrondi effectué. On constate que pour les valeurs approchées qu'Hipparque attribue à pet à € (p
= 36°
ete = 24°), seulement 124 couples sont cohérents. Nous avons recherché,
par une méthode
d'autocorrélation, des valeurs de j et de e qui rendent maximum le nombre de couples cohérents.
Un
maximum de 142 couples est obtenu lorsque @ = 36° 15' et e = 23° 43'. Mais
la comparaison des
longitudes indiquées par Hipparque à celles que l'on peut calculer en fixant pete à ces
valeurs conduit à
un histogramme des résidus bimodal.
Ce résultat, à première vue anormal, vient cependant renforcer notre impression initiale,
car
l'hypothèse selon laquelle Hipparque a pu s'aider d'un globe céleste pour écrire son
traité devient
maintenant très vraisemblable si l'on interprète l'existence des deux modes par
le fait qu'Hipparque a pu
lire les longitudes écliptiques de part et d'autre d'une armille méridienne épaisse. L'épaisseur
cette armille est faible, elle est de 0°,5 environ, ce qui a sans doute pu laisser croire
pouvait la négliger dans ses lectures®),
trouvée pour
à Hipparque qu'il
Les enseignements que nous venons de tirer du texte permettent alors d'aborder l'étude
du globe
céleste lui-même et, en particulier, celle de la représentation des étoiles qui y
sont reportées, Dans le
passage cité plus haut, l'étoile ¢ Cas se couchait, mais ailleurs Hipparque décrit son lever.
Dans chaque
cas une donnée numérique (A, A') est associée au phénomène et il est donc
possible de déterminer ses
coordonnées à partir du texte. Il en est ainsi pour 75 étoiles figurant sur le globe céleste.
Du fait que les données numériques associées aux phénomènes stellaires sont arrondies,
une étoile
donnée ne doit pas se trouver en un point défini de la sphère mais à l'intérieur d'une
surface polygonale.
Par ailleurs, la longitude écliptique lue au méridien a pu l'être selon l'une ou
l'autre des deux faces de
l'armille méridienne et il en est de même du repérage de l'étoile lors de sa culmination
. Il s'ensuit donc que
l'étoile ne doit pas se trouver à l'intérieur d'un polygone donné mais à l'intérieur d'un polygone
à choisir
parmi plusieurs. Ce choix ne peut pas être fait a priori mais la connaissance
de ces polygones permet de
calculer la probabilité pour que l'étoile présente des écarts donnés, en ascension droite
et en déclinaison,
par rapport à la position théorique qu'elle aurait à une époque t. La connaissan
ce de l'ensemble des
polygones permet ensuite de calculer la probabilité pour qu'une étoile quelconque
tels écarts.
parmi les 75 présente de
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Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Ces écarts sont petits et l'on est en droit de traiter le problème dans le plan en ramenant toutes les
positions théoriques en un méme point et tous les polygones à un même référentiel lié à ce point. Les
calculs faits pour l'époque ¢ = -175 conduisent à une loi de probabilité « expérimentale » totalement
erratique et qui évolue peu dans un large domaine autour de cette époque (figure 2a). Or, il est légitime
d'admettre que les erreurs commises par Hipparque lors des observations et lors du report des étoiles sur le
globe obéissent à une loi normale à deux dimensions. Afin de retrouver cette loi à partir de la loi
expérimentale obtenue, il est nécessaire d'introduire dans les calculs un nouveau paramètre. Il en est un qui
s'imposait tout naturellement : le diamètre des étoiles. Il semble en effet peu probable qu'Hipparque ait
représenté les étoiles sur son globe par des points. Il les a sûrement représentées par des surfaces, plus
visibles, que l'on peut assimiler statistiquement à des cercles de même diamètre d.
L'introduction de ce nouveau paramètre est d'autant plus justifiée que, de tout temps, les
astronomes ont représenté les étoiles sur leurs globes par des cercles ou des symboles s'inscrivant dans un
cercle. Sur le globe de al-Wazzan, par exemple, les étoiles sont figurées par des cercles dont le diamètre
varie de 1° à 2° environ. Ptolémée lui-même, dans le passage cité à propos de la construction de la sphère
solide, conseille de les peindre de couleurs différentes, selon leur aspect ; ce ne sont donc pas des points.
Enfin, dans le problème qui est le nôtre, l'introduction du paramètre d permet de traiter des données que
nous avions dû laisser de côté en supposant les étoiles représentées par des points.
La prise en compte de d dans les calculs conduit à un accroissement des dimensions des polygones
où doivent se trouver les étoiles et à des modifications notables de la loi de probabilité expérimentale des
écarts. Un accord presque parfait avec la loi de Gauss est obtenu pour la valeur d = 1°,7 (figure 2b).
Les caractéristiques de la distribution théorique étant maintenant connues —e sont celles de la
distribution expérimentale obtenue pour cette valeur de d- il est alors aisé de connaître pour toute valeur {
de l'époque le polygone qui convient le mieux à la position de chacune des 75 étoiles, c'est-à-dire celui
auquel correspond la probabilité la plus grande. L'étude du produit des 75 probabilités maximales permet
alors de déterminer avec précision l'époque des observations. On trouve I = -140, ce qui confirme que les
observations ont été faites par Hipparque lui-même. Autre résultat du calcul, on sait, pour chaque
culmination indiquée dans le texte, selon quelle face de l'armille méridienne Hipparque a lu ses longitudes
écliptiques.ou repéré les étoiles. Enfin, dans le cas de couples (À, À) non cohérents, on peut déceler celle
des deux longitudes qui a le plus de chances d'être erronée, qu'elle le soit du fait d'Hipparque lui-même ou
de celui d'un copiste.
Une méthode analogue nous a permis d'évaluer à 1°,8 environ la coudée utilisée par Hipparque
quand il dit par exemple qu'une étoile « précède le méridien d'une demi-coudée ». De même, il est possible
d'estimer le degré de précision avec lequel Hipparque a travaillé quand il dit par exemple qu'une étoile
« précède légèrement le méridien ». Ce « légèrement » vaut en moyenne 0°,4. On est enfin en possession
des coordonnées des 75 étoiles sur le globe céleste,
En conclusion, l'hypothèse selon laquelle Hipparque s'est aidé d’un globe céleste pour écrire son
traité se voit confirmée par le calcul. Ceci amène la constatation suivante touchant à l'utilisation de tels
instruments : ils pouvaient servir à des fins didactiques en fournissant de façon simple des enseignements
qualitatifs ou des valeurs numériques approchées ; une telle utilisation est attestée à l'évidence par le traité
d'Hipparque qui s'adresse non à des spécialistes mais à un public, certes cultivé, mais peu soucieux de la
précision scientifique.
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Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster):332335=°;:31.:2112e33n33233i23o723333r3389-10353502:3:3:39BMR3B2:543B34A33H22.:O33532S1332133233223352259395752382393:3223:È333235:x3ÈÈ::
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ui
1
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Figure 2a — Loi de probabilité exp érimentale des écarts de la position des étoiles sur
le globe céleste par rapport à leur position
th éorique o btenue pour 1 époque t
175. Les
probabilités en chaque point du rectangle
sont données selon une échelle conventionnelle allant de 0 4 10, le nombre 10 étant
remplacé par le symbole $. Le domaine couvert par la distribution s'étend sur quelques
degrés seulement autour de la position théorique des étoiles, indiquée par une croix.
Figure 2b
Loi de probabil ité o btenue
pour l'époque 1
-140 et un d iamè tre des
étoiles d
19,7. Les courbes d'égale
probabil ité
€ sont très proc hes des ell ipses
th éoriques.
DS
>
te
Les donn ées numé riques contenues dans le texte , AUSSI IMPprecises solent-e.Îles permettent par leur
A
4
3
grand nombre de parvenir à des ré sultats intéressant l'histoire de l'astronom 16 sur lesquels nous ne pouvons
nous étendre, nous re. servant d'ins aster Ic i sur la res titution du globe céleste d'Hipparque . Les défauts de cet
2
instrument, m is en évidence par le calcul, sont petits, ce qui indique qu'il est constru it avec un gran d soin.
.
Les valeurs trouv ées pour
I
£
épaisseur de
l'armille mérid 1enne , le diamétre des étoi les, etc. permettent
d'imaginer son aspect, sans qu'il so it possi ble toutefois de connaitre ses dimensions. Nous avons tenté de
reconstituer ce g lobe c € leste avec le concours de l'atelier m écanique de l'Observato ire du Pic-du-Midi et de
£
2
Toulouse. La figure 3 montre une vue de l' appareiil qu iaéété réalisé. Le globe a un d lame!tre de 65 cm.
Nous y avons trac é un équa teur et un écliiptique , gradués de degr é en degré, et reporté les 75 étoiles
étudiées.
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Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Kein Text auf dieser Seite.
Seite 8
Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)Le texte conduit a un autre enseignement d'importance : la maniére dont Hipparque
se sert de son
globe céleste. Elle peut choquer l'astronome contemporain qui, en aucun cas,
ne se référerait
indifféremment à l'une ou à l'autre des deux faces de l'armille méridienne dans ses lectures de
pour repérer des étoiles. Mais il serait aventureux de voir dans la procédure qui est celle
encore élémentaire de la méthode scientifique. En effet, Hipparque procède, malgré les
longitudes ou
d'Hipparque un état
apparences, avec une
certaine rigueur car, s'il utilise tout au long du texte les deux faces de l'armille méridienne,
montre que, pour une culmination donnée, il repère le plus souvent longitude
le calcul
écliptique et étoiles selon la
même face de l'armille, gardant ainsi une précision meilleure que le demi-degré
. Par ailleurs, ses
approximations, grossiéres à première vue, le sont moins quand on connaît le diamètre
des étoiles et la
valeur que l'on doit attribuer à la coudée ou à l'expression « légèrement ». Ces trois quantités ne semblent
pas en effet choisies au hasard mais, eu égard à l'épaisseur de l'armille méridienne, constituer
plutôt une
échelle de valeurs permettant à Hipparque de quantifier les écarts des étoiles par rapport au méridien
(figure 4).
Le « Commentaire aux Phénomènes d'Eudoxe et d'Aratos » est fort probablement le seul
texte de
l'Antiquité qui nous conserve de tels enseignements sur la construction et l'utilisation
de cet instrument
auxiliaire de la pensée astronomique qu'est le globe céleste.
Méridien
0°,5
Quest
Est
(a)
Figure 4 — Illustration de la méthode qu'a
pu
utiliser Hipparque pour repérer les
étoiles proches du méridien. Dans les trois
cas, l'étoile est repérée selon la face Est de
l'armille méridienne,
En (a), elle est dite par Hipparque « au
méridien » ; le centre de l'étoile est au plus
à 0°,35 à droite et au plus à 0°, 25 à gauche
(b)
de la face Est de l'armille, L'étoile est
cachée en partie, tout en restant visible des
,
deux côtés de l'armille. .
i
En (b), l'étoile est dite par Hipparque
« légèrement à l'Est du méridien ».
L'armille cache une partie de l'étoile,
visible seulement à l'Est. Le bord gauche de
l'étoile, qui n'est pas visible, est très
proche de la face Ouest de l’armille.
En (c), l'étoile est dite par Hipparque « à
une demi-coudée à l'Est du méridien ». Elle
est entièrement visible et son bord gauche
est presque
l'armille.
contact de la face Est de
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Im PDF ansehen(öffnet in einem neuen Fenster)NOTES
(1) Pour une restitution de cet instrument voir, par exemple, B.L. van der Waerden, Erwachende
Wissenschaft, Bale, 1966, p. 173.
(2) Hipparchi in Arati et Eudoxi Phenomena Commentarium. Edition avec traduction allemande de
K. Manitius, Leipzig, 1894. — Hipparque mentionne le gnomon à I, 3, 6 et I, 4, 8 et la dioptre à I, 10, 24
et 26.
(3) On ne doit pas confondre cet instrument avec l'astrolabe plan utilisé par les Arabes dès le haut
Moyen-Age.
(4)
Cf. le catalogue rédigé par M.L. Righini Bonelli, /I Museo di Storia della Scienza a Firenze, Milan,
1976, notice n° 43 et planche 22.
(5)
Almageste, VII, 3. On pourra consulter les éditions suivantes :
* Composition mathématique de Claude Ptolémée, par M. Halma, Paris, 1813-16. Réédition en
fac-similé par Hermann, 1927.
* Des Claudius Ptolemäus Handbuch der Astronomie, deutsche Übersetzung und erläuternde Anmerkungen
von K. Manitius, Leipzig, 1963.
* Ptolemy's Almagest translated and annotated by G.J. Toomer, Londres, 1984.
(6)
Almageste, VI, 1.
(7) Op. cit. II, 6, 9. Nous donnons de ce passage une traduction libre provisoire.
(8) Pour le détail de l'analyse qui précède, le lecteur pourra se reporter à notre article « Le “Commentaire”
d'Hipparque. _ I. La Sphère mobile », Archive for History of Exact Sciences , vol. 29, p. 201, 1984
(9) Cette deuxième partie de notre travail fait l'objet d'un article en cours de rédaction et qui sera soumis à
la revue Archive for History of Exact Sciences
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