Système solaire (seulement 6 planètes représentées) par la NASA et Kepler par un artiste inconnu via Wikimedia Commons.
Le 27 décembre 1571. L’astronome et mathématicien allemand Johannes Kepler est né il y a 446 ans aujourd’hui. On se souvient de lui pour avoir cru au modèle copernicien – un système solaire centré sur le soleil et non sur la Terre – alors que peu d’autres le faisaient et pour avoir démontré la véracité de cette théorie, via ses trois célèbres lois du mouvement planétaire. Il est également connu pour avoir travaillé sur la science de la réfraction – la division de la lumière en ses composants colorés – et pour la science de base derrière la correction des lunettes.
Kepler est né à Weil der Stadt, en Allemagne, dans une famille pauvre. Au 16e siècle, la religion était encore responsable de l’éducation de la population, et Kepler a donc étudié dans des écoles religieuses. Il commence à étudier à l’université de Tubingen en 1589. Il souhaite devenir théologien, mais son admiration pour Dieu le conduit à l’astronomie. Le but du travail de Kepler était toujours religieux : il voulait comprendre l’univers pour comprendre Dieu.
Le professeur de mathématiques de Kepler, l’astronome allemand Michael Maestlin, lui a prêté un exemplaire annoté du livre de Copernic, De revolutionibus orbium coelestium (Sur les révolutions des sphères célestes). À l’époque, l’idée d’un univers centré sur la Terre était depuis longtemps acceptée par les savants. La vision de Copernic, centrée sur le soleil, n’est pas acceptée par les savants de son vivant, mais Kepler dit qu’il peut y sentir l’œuvre de Dieu. Il a décidé de consacrer sa vie à prouver que la théorie de Copernic était correcte. Il écrit :
Je préfère de loin la critique la plus acérée d’un seul homme intelligent à l’approbation irréfléchie des masses.
En 1595, Kepler enseigne les mathématiques dans un lycée. Il n’était pas un bon professeur, car il n’était pas dynamique et marmonnait souvent tout seul. Un jour, alors qu’il enseignait, il eut une révélation profonde (bien qu’incorrecte). Il pensait que l’espacement des six planètes connues à l’époque (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter et Saturne) pouvait être expliqué par l’inscription et la circonscription de sphères et des cinq solides platoniciens. Il écrivait :
La Terre est la sphère, la mesure de tout ; autour d’elle décrivez un dodécaèdre ; la sphère incluant celui-ci sera Mars. Autour de Mars, décrivez un tétraèdre ; la sphère incluant celui-ci sera Jupiter. Décris un cube autour de Jupiter ; la sphère qui le comprend sera Saturne. Maintenant, inscrivez dans la Terre un icosaèdre, la sphère qui y est inscrite sera Vénus : inscrivez un octaèdre dans Vénus : le cercle qui y est inscrit sera Mercure.
Ces travaux se sont révélés faux, mais ils semblaient vrais au début, car il y avait un accord à 5 % près pour toutes les planètes, à l’exception de Jupiter. Kepler a continué à travailler sur cette idée, en essayant de prouver qu’elle était vraie, pendant des années.
Le système solaire de Kepler tiré de son Mysterium Cosmographicum, 1596 via Wikimedia Commons.
En 1600, l’astronome précoce William Gilbert a publié son célèbre ouvrage précoce De Magnete, une discussion sur la nature magnétique de la Terre. Kepler a saisi l’idée que le magnétisme pourrait être la clé pour trouver un système qui expliquerait le mouvement rétrograde de Mars. Encore une fois, il s’est trompé, mais, comme cela arrive si souvent en science, s’engager dans de mauvaises voies l’a conduit, en fin de compte, à une grande découverte.
Lire la suite : Qu’est-ce que le mouvement rétrograde ?
Kepler avait besoin de données précises pour pouvoir gagner ce qu’il a décrit comme la guerre avec Mars. Mais il savait que les tables de données astronomiques de son époque étaient inexactes et ne feraient pas l’affaire. Entre-temps, toujours en 1600, l’astronome danois Tycho Brahe était en train d’acquérir des données astronomiques beaucoup plus précises sur la position des planètes. Il invite Kepler dans son château et son observatoire, Uraniborg, près de Prague.
Au début, les deux astronomes ne s’entendent pas. Kepler voulait résoudre le mystère du ciel ; Tycho ne voulait pas vraiment partager ses données, et il passait son temps à recevoir des invités et à boire.
Toutefois, seulement un an après l’arrivée de Kepler, Tycho est mort dans des circonstances étranges et a légué ses mesures astronomiques à Kepler.
Lisez-en plus sur la grande contribution de Tycho Brahe
La 1ère loi de Kepler stipule que les planètes se déplacent autour du soleil dans une orbite elliptique avec le soleil à un foyer de l’ellipse. Image via OneMinuteAstronomer.
Les données de Tycho ont permis à Kepler d’affiner son modèle de mouvement planétaire. Cela l’a conduit à créer ce que nous appelons aujourd’hui les trois lois du mouvement planétaire de Kepler. La première loi du mouvement planétaire stipule:
Les planètes se déplacent autour du soleil dans une orbite elliptique, où le soleil est l’un des foyers.
Kepler a écrit:
J’ai été presque conduit à la folie en considérant et en calculant cette question. Je n’arrivais pas à trouver pourquoi la planète préférait aller sur une orbite elliptique. Oh, que je suis ridicule ! Avec un raisonnement dérivé des principes physiques, s’accordant avec l’expérience, il n’y a plus de figure pour l’orbite de la planète qu’une ellipse parfaite.
Une illustration de la 2e loi de Kepler. Image par Gonfer via Wikimedia Commons.
La deuxième loi du mouvement planétaire stipule :
Une planète en orbite balaie des surfaces égales dans des intervalles de temps égaux.
En 1619, Kepler annonce sa troisième loi du mouvement planétaire :
La période orbitale au carré sur le demi-axe majeur (la plus grande distance entre une planète et le soleil) cubé donne une constante.
Le travail de Kepler a été le fondement du travail d’Isaac Newton pour définir et expliquer le fonctionnement de la gravité. Newton a utilisé les lois de Kepler pour formuler sa loi de la gravitation universelle. Elle est restée la compréhension la plus puissante de la gravité (et donc du cosmos dans son ensemble) que le monde ait jamais connue, jusqu’à ce qu’Albert Einstein apparaisse sur la scène au début du 20e siècle.
Il y a 2 orbites de planètes représentées dans cette illustration des 3 lois de Kepler. En savoir plus sur cette image, qui est via Wikimedia Commons.
En plus de l’astronomie, Kepler s’est également intéressé à l’optique. Il a expliqué comment fonctionne un télescope, comment la réfraction se produit dans nos yeux et le phénomène de la perception de la profondeur, c’est-à-dire comment les deux yeux sont nécessaires pour percevoir la troisième dimension. Il a également expliqué comment les verres de lunettes compensent les distorsions causées par une mauvaise vision, formant ainsi la base scientifique de la pratique actuelle de la correction de la vue.
Tout au long de sa vie, Kepler a eu une vision religieuse de son travail scientifique. Il avait l’impression de se rapprocher de la compréhension de la nature et donc de Dieu.
Il est mort le 15 novembre 1630 à Ratisbonne des suites d’une maladie. Aujourd’hui, nous nous souvenons de lui comme l’un des plus grands scientifiques de l’histoire. Le puissant et fructueux chasseur de planètes Kepler de la NASA porte son nom.
Concept d’artiste du vaisseau spatial chasseur de planètes Kepler regardant la constellation du Cygne, via la NASA.
Ligne de fond : Kepler est né il y a 445 ans aujourd’hui. On se souvient de lui pour ses trois lois du mouvement planétaire et ses travaux en optique et en géométrie.
Daniela Breitman – une écrivaine canadienne, anciennement de From Quarks to Quasars – étudie actuellement les sciences appliquées dans le but de devenir astrophysicienne. Photographe amateur, elle aime aussi l’écriture et la littérature et est une grande fan de science-fiction. En fait, elle est passionnée par beaucoup de choses.
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